Los modelos de moléculas muestran una física inesperada

Los ingenieros de Rice demuestran que las partículas magnéticas giratorias siguen sorprendentemente las leyes termodinámicas

17.03.2022 - Estados Unidos

Las pequeñas esferas suspendidas en un líquido se mueven de forma tan parecida a las moléculas que la física de una de ellas puede utilizarse para imitar la física de la otra.

Por eso, el descubrimiento de una física inusual en los coloides -partículas dispersas en una solución como la leche, por ejemplo- podría ser de interés para los investigadores que estudian las interacciones biológicas.

La ingeniera química y biomolecular Sibani Lisa Biswal y el becario postdoctoral Kedar Joshi, de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de la Universidad de Rice, descubrieron que cuando un coloide -en este caso, una suspensión de partículas paramagnéticas de tamaño micrométrico- se ve sacudido por un campo magnético, sigue tendiendo a buscar su estado de menor energía de la misma manera que lo hacen los sistemas gaseosos y líquidos.

"Es como intentar soplar una burbuja con una forma extraña", dijo Biswal. "Siempre vuelve a una esfera".

Su hallazgo, detallado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, no desafía exactamente la ecuación de Kelvin, que describe las interacciones termodinámicas entre líquidos y gases. Pero sí que la amplía un poco.

"La ecuación de Kelvin procede de la termodinámica clásica y nos dice que las fases líquida y gaseosa están en equilibrio entre sí", explica Biswal. "A Kedar le gusta poner el ejemplo de las gotas de agua: cómo se mantienen de un tamaño determinado, incluso con las fases de agua y vapor a su alrededor".

"Estos grupos coloidales son como las gotas", dijo Joshi. "Tratan de mantenerse circulares, en lugar de adoptar una forma arbitraria. Nuestro pensamiento fue que estas ecuaciones deberían explicar no sólo una o dos, sino también todas las propiedades de nuestros coloides."

El estudio amplía los trabajos anteriores del laboratorio para caracterizar cómo interactúan las partículas en las soluciones, el más reciente de los cuales demuestra cómo los coloides superparamagnéticos interactúan entre sí en un campo magnético que gira rápidamente.

"Éste entra dentro de nuestro ámbito de pensamiento sobre los gases y los líquidos, pero de una manera diferente", dijo Biswal. "Kedar decidió aplicar la fórmula a nuestro sistema, en el que podemos ver las partículas, podemos contarlas y seguirlas realmente a través de sus fases 'gaseosa' y condensada".

Los resultados fueron sorprendentes, escribieron, porque la ecuación de Kelvin no está pensada para aplicarse a sistemas expulsados del equilibrio. En los experimentos de Rice, las partículas representaban moléculas líquidas cuando estaban agrupadas y moléculas gaseosas cuando estaban dispersas, ambas cualidades controladas por el campo magnético giratorio, un sustituto de la variable de temperatura de la ecuación.

Los investigadores sacaron su coloide del equilibrio haciéndolo girar con el campo. A pesar de ello, descubrieron que la ecuación seguía siendo válida para las interacciones que observaron cuando las partículas se unían o se separaban en función de la fuerza del campo.

"Las partículas seguían el campo giratorio; parecían pequeñas barras agitadoras miniaturizadas", dijo Biswal. "Pero si aumentamos la frecuencia, descubrimos que generaba una interacción atractiva isotrópica entre las partículas".

La intensidad de este campo magnético de rotación rápida se convirtió en un mando que subía y bajaba la "temperatura" y controlaba si las partículas se condensaban en un líquido o se dispersaban como un gas. "El sistema se comporta como si le afectara la temperatura", dijo Joshi, que recientemente dejó Rice para incorporarse a la facultad del Instituto Indio de Tecnología de Goa. "Queríamos demostrar que replicaba lo que hacen las fases clásicas en términos de presión de vapor, viscosidad y tensión superficial también".

Biswal dijo que el estudio también tiene implicaciones para dispositivos como las pantallas de control que emplean cristales líquidos. "El nuevo artículo trata de la idea de que puede haber coexistencia (entre las fases líquida y gaseosa)", dijo. "Poder ver cómo se pueden utilizar los campos magnéticos para controlar la forma en que estos sistemas pueden lograr la coexistencia de fases es importante para diseñar materiales que sean reconfigurables o tengan una propiedad deseada".

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