domingo, 29 de noviembre de 2015

Los no solo tres estados de la materia

ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

En nuestro dia a dia solo nos topamos con la materia que se encuentra en los tres estados de agregación más comunes, sólido, líquido y gaseoso. El suelo que pisamos es sólido, el viento que nos despeina es gas y la lluvia es líquida, son estados que facilmente distinguimos unos de otros con nuestros sentidos.  

Sin embargo existen varios estados más que pueden desafiar nuestra imaginación y en esta publicación hablaremos de algunas de ellas.



Cuando hablamos de estados de agregación de la materia nos referimos a como están agrupadas las partículas que la componen. Observamos un "cambio de estado" cuando cambiamos la presión y la temperatura de una sustancia cualquiera hasta que las partículas que la componen cambian de ordenación. Por ejemplo, si calentamos mucho un trozo de metal este se funde y pasa del estado sólido a líquido, o si aplicamos una gran presión a un gas este se licua y pasa de gas a líquido.

SÓLIDO

El estado solido se caracteriza porque las particulas que forman la materia se encuentran muy juntas unas de otras, en una posición más o menos fija. Las partículas se encuentran fuertemente unidas unas con otras y por tanto los sólidos tienen resistencia a ser deformados.



LÍQUIDO

 En los líquidos estas partículas ya no están unidas tan fuerte unas con otras y su posición no es fija, si no que pueden fluir más o menos libremente. De esta manera los líquidos no tienen forma por si mismos si no que se adaptan a la forma del recipiente que los contiene.
GAS

En los gases las partículas no se encuentran unidas para nada unas con otras porque las fuerzas de unión son muy débiles. Cada partícula va "a su bola" en trayectorias caóticas. Un gas no tiene un volumen definido, ocupa el volumen del recipiente que lo contiene y si abrimos el recipiente el gas se escapa.

PLASMA

Estos tres estados de la materia son comunes y faciles de entender. Son estados "naturales" ya que aparecen en la naturaleza y no creados artifialmente.
Otro estado natural aunque menos común es el plasma. El plasma es un gas ionizado. En un gas normal las partículas del gas se encuentran en estado neutro, esto quiere decir que existen el mismo número de protones (cargas positivas) que de electrones (cargas negativas). Los plasmas surgen cuando se somete a un gas a una temperatura y presión tan altas que las partículas pierden su forma neutra y se convierten en partículas cargadas, aniones con carga negativa y cationes con carga positiva.
Aunque este estado de la materia no sea tan cotidiano, deberías saber que es el más abundante en el universo. Sin ir más lejos nuestro Sol, al estar tan caliente, solo puede existir en estado de plasma. La aurora boreal, se produce por el choque de partículas ionizadas (el plasma solar) con las capas superiores de la atmósfera.
Además de estar presente en la naturaleza como hemos visto, algunos aparatos cotidianos en nuestra vida funcionan en base al plasma, las lamparas fluorescentes sin ir más lejos. Están formadas por un tubo que contiene mercurio y un gas inerte (argón) a una presión inferior a la presión atmosférica. La corriente eléctrica crea gas ionizado o plasma que  excita los átomos de mercurio que, como consecuencia, emiten luz visible y ultravioleta. El tubo se reviste con un recubrimiento que contiene fósforo, ya que éste emite luz cuando recibe radiación ultravioleta.




Una vez vistos estos cuatro, no resulta fácil imaginarnos otros estados diferentes en los que la materia pueda encontrarse. Sin embargo, existen otros estados que la mayoría de nosotros desconocemos y en esta publicación describiremos algunos de ellos, aunque sin entrar en profundidad.


SUPERFLUIDO

Los superfluidos quizás sean uno de los estados de la materia más curiosos. No se suelen ver muchos en el día a día, a no ser que tu día a día sean casi menos 270 grados centígrados (unos tres grados Kelvin). Esta es la temperatura la que se debe enfriar el Helio para obtenerlo en forma de superfluido. Casi la temperatura en la que las partículas dejan de moverse por completo. Hay muy pocas sustancias que a tan baja temperatura no se conviertan en sólidos, pero el Helio es una excepción. En lugar de solidificar pasa a su forma de superfluido.
Lo más curioso de este estado de la materia es que presenta una viscosidad de casi 0. ¿Qué implica esto? Un líquido ocupa el volumen del recipiente que lo contiene como dicho con anterioridad, pero un superfluido no se queda en solo eso. Este subiría por las paredes del recipiente hasta salir de él ya que la fricción que lo frenaría es mínima.


Y no solo eso, los superfluidos pueden atravesar los solidos! Su mínima viscosidad les permite atravesar poros del tamaño de una molécula.
Todo este conjunto de propiedades que presentan es debido a que, en las circunstancias adecuadas, los átomos de Helio dejan de comportarse individualmente y empiezan a comportarse como un conjunto.

¿Para qué sirve esto? Pues por ejemplo, es el modo que se tiene de enfriar algunos satélites que hay en órbita alrededor de la Tierra.
Este video representa con bastante claridad como se comporta un superfluido:




Y este otro para quien tenga MUCHO tiempo libre. Representa toda la teoría de los superfluidos, en forma de baile:


Condensado de Bose-Einstein
Con este estado de la materia empezamos a movernos sobre las arenas movedizas de la física cuántica. Os preguntareis el por qué de su nombre ya que ninguno de los otros estados de la materia están asociados a un científico. Pues bien, esto es debido a que Bose y Einstein hipotetizaron la existencia de este estado de la materia en 1920. Sin embargo no se pudo observar por primera vez hasta 1995! Supongo que también os preguntareis como llegaron a la conclusión de que existía otro estado de la materia antes de siquiera haberla visto. La respuesta está en un embrollo de ecuaciones matemáticas que supongo que tendría sentido para ellos...

Para entenderlo debemos tener una pequeña noción de que es un fermión y que es un bosón. Supongamos que tenemos una escalera con sus respectivos peldaños. Ahora imaginamos que intentamos poner bosones y fermiones en los peldaños de la escalera. Si intentamos poner dos fermiones en un peldaño, nuestro resultado será un fracaso. Estos solo pueden ir de uno en uno en los peldaños. Sin embargo, Einstein y Bose descubrieron que los bosones si que pueden ir más de uno en un peldaño y gracias a ello, descubrieron este nuevo estado.

Una forma intuitivo de entenderlo es de la siguiente. Tenemos un gas en un vaso y vamos ejerciendo presión sobre los átomos desde arriba en el vaso. El gas por la presión pasará a líquido y el líquido a sólido. Hasta aquí es fácil. ¿Pero qué pasa si se aumenta aún más la presión? El sólido ya no tendrá espacio y los átomos se unen poco a poco hasta ocupar el volumen mínimo. El de un solo átomo!



En realidad, en la práctica no se va aumentando la presión sino que se baja la temperatura igual que se hacía con los superfluidos. Sin embargo, mientras los superfluidos existen a una temperatura de menos 270 grados centígrados, o lo que es lo mismo 3 kelvin, este condensado se da a una temperatura de 0,000 000 001 Kelvin! Y es importante aclarar que a 0 Kelvin (-273,15 grados centígrados) los átomos están quietos.
Entonces, este conjunto de átomos, como decían Einstein y Bose se agrupan formando un único átomo en su estado más fundamental, que no es otro, que en el que las partículas se mueven menos, osea, el más frío posible. Intentad imaginar que varias personas sentadas en la misma silla, no una sentada sobre otra, sino literalmente todas sentadas en la misma silla, ocupando el mismo espacio en el mismo momento. Esto sería el condensado de Bose-Einstein.
Pero vamos al grano y hablemos de las propiedades de este estado de la materia que son bastante insólitas. Los átomos están "congelados", tanto que podemos ver como funciona sobre ellos la gravedad. Se descubrió que si se deja caer un condensado de Bose-Einstein cae como si fuera una piedra, pero sigue siendo un gas! Por ello, algunos científicos le han dado el rimbombante nombre de: HIELO CUÁNTICO.
Además, uno de estos condensados presenta un comportamiento peculiar cuando se ponen en contacto con otros condensados de Bose-Einstein. Imaginad que tenemos un átomo y le ponemos encima otro átomo, obviamente ahora tenemos el doble de átomos. Ahora probamos a hacer lo mismo con el condensado. Tenemos uno y le ponemos encima otro... Ahora obsevamos y vemos que no hay dos condensados, ni dos átomos, ni un solo átomo! De hecho han desaparecido todos los átomos de la zona.
¿Y las aplicaciones? Aún no se sabe demasiado bien, ya que es un estado de la materia relativamente nuevo y queda un largo camino por delante para su estudio. Sin embargo, se piensa que se podría para usar en relojes atómicos más precisos y laser para diseño de nanoestructuras entre otros.


OTROS ESTADOS


No bastando con 6 estados de la materia, se han descubierto/hipotetizado la existencia de muchos otros que citamos rapidamente:
-Condensado de fermi: Descubierto en 1999. Similar al condensado de Bose-Einstein pero en lugar de bosones se usan partículas fermiónicas, de ahí el nombre.
-Supersólido: Es lo más parecido a la congelación del Helio, solo que no es un sólido. Los átomos se comportan como sólidos y fluidos al mismo tiempo. Tiene algún punto en común con los superfluidos.

-Materia degenerada: Estado de materia hipotético que existe cuando la presión es inmensa debido a la exclusión de Pauli. Se cree que puede ocurrir dentro de las estrellas de neutrones que son de los cuerpos más pesados existentes.

-Materia fuertemente simétrica: Digamos que es el estado de la materia que se hipotetiza que existió los 10E-36 segundos después del big bang, o lo que es lo mismo sin notación científica: 0,000000000000000000000000000000000001 segundos.



REFERENCIAS

Figuras [1] , [2] , [3] y [4]  http://cde.2.trome.pe/ima/0/0/9/7/8/978021.jpg

Figura [5] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c6/Luz_fluorescente-LMB.png

Figura [6]  https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b7/Helium-II-creep.svg/200px-Helium-II-creep.svg.png

Figura [7] https://es.wikipedia.org/wiki/Condensado_de_Bose-Einstein

Figura [8] http://www.landsil.com/fisica/Materia2.htm

Figura [9] http://www.landsil.com/fisica/Materia7.htm



BIBLIOGRAFIA

LandSil (2002). Los cinco estados de la materia
http://www.landsil.com/fisica/Materia1.htm
Yamilet Rodriguez, Horacio Martinez (2006). Plasma, aplicaciones en la vida diaria
http://www.google.es/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&sqi=2&ved=0CCAQFjAAahUKEwjD5vCB_OrIAhVG2xoKHe3NCJI&url=http%3A%2F%2Fdialnet.unirioja.es%2Fdescarga%2Farticulo%2F2540940.pdf&usg=AFQjCNEzJoxGihr_AGgF2JaBSltwAFj99g&sig2=OGF0hSpMzr9dYSlcDswkjg&bvm=bv.106379543,d.d2s
Wikipedia. Estado de agregación de la materia.
https://es.wikipedia.org/wiki/Estado_de_agregaci%C3%B3n_de_la_materia



Juan Antonio Pérez García
Juan Luis Gómez Urbano


2 comentarios:

  1. Excelente nota, realmente interesante, sustanciosa, y en idioma claro y preciso.

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  2. Excelente nota, muy sustanciosa y precisa, además está expresada en idioma entendible para todos sin perder la condición de Ciencias de estudio complejo.

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