Confirmado: nuevo estado de la materia es sólido y líquido a la vez

Sólido, líquido, gaseoso… ¿y algo más? Mientras que la mayoría de nosotros aprendemos sobre sólo tres estados de la materia en la escuela primaria, los físicos han descubierto varias variedades exóticas que pueden existir en condiciones extremas de temperatura y presión.

Ahora, un equipo ha utilizado un tipo de inteligencia artificial para confirmar la existencia de un nuevo estado de la materia extraño, uno en el que los átomos de potasio exhiben propiedades de un sólido y de un líquido al mismo tiempo. Si de alguna manera pudiera extraer una porción de dicho material, probablemente se vería como un bloque sólido que pierde potasio fundido y que finalmente se disuelve.

"Sería como sostener una esponja llena de agua que comienza a gotear, excepto que la esponja también esté hecha de agua", dice el coautor del estudio Andreas Hermann, un físico de materia condensada en la Universidad de Edimburgo, cuyo equipo describe el trabajo esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

El estado inusual del potasio podría existir en las condiciones que se encuentran en el manto de la Tierra, pero el elemento generalmente no se encuentra en forma pura y generalmente está relacionado con otro material. Simulaciones similares podrían ayudar a estudiar los comportamientos de otros minerales en ambientes tan extremos.

Cristal que gotea

Los metales como el potasio son bastante sencillos a nivel microscópico. Cuando se forman en una barra sólida, los átomos del elemento se unen en filas ordenadas que conducen bien el calor y la electricidad. Durante mucho tiempo, los investigadores creían que podían predecir fácilmente lo que podría ocurrir en tales estructuras cristalinas bajo presión.

Pero hace unos 15 años, los científicos descubrieron que el sodio, un metal con propiedades similares al potasio, hacía algo extraño cuando se comprimía. A 20.000 veces la presión presente en la superficie de la Tierra, el sodio se transformó de un bloque plateado en un material transparente, uno que no conducía electricidad sino que impedía su flujo. Al explorar el sodio con rayos X, los científicos pudieron ver que sus átomos habían adoptado una compleja formación de cristales en lugar de una simple.

El potasio, también, ha sido sometido a mucho escrutinio experimental. Cuando se comprimen a extremos similares, sus átomos se organizan en una formación elaborada: cinco tubos cilíndricos organizados en forma de X, con cuatro largas cadenas asentadas en los pliegues de este conjunto, casi como dos materiales separados y no entrelazados.

"De alguna manera, estos átomos de potasio deciden dividirse en dos sub-celosías ligadas", dice Hermann. Pero a medida que los científicos aumentaban el calor, las imágenes de los rayos X mostraban la desaparición de las cuatro cadenas, y los investigadores discutían sobre lo que estaba sucediendo exactamente.

Hermann y sus colegas recurrieron a las simulaciones para descubrir, utilizando lo que se conoce como una red neuronal, una máquina de inteligencia artificial que aprende a predecir el comportamiento basándose en ejemplos anteriores. Después de ser entrenado en pequeños grupos de átomos de potasio, la red neuronal aprendió la mecánica cuántica lo suficientemente bien como para simular colecciones que contienen decenas de miles de átomos.

Los modelos de computadora confirmaron que entre aproximadamente 20.000 y 40.000 veces la presión atmosférica y  de 127 a 527 grados Centígrados (260 a 980 grados Fahrenheit), el potasio entró en lo que se llama un estado de cadena fundida, en el cual las cadenas se disolvieron en líquido mientras que los cristales de potasio restantes permanecieron sólidos.

Esta es la primera vez que los científicos han demostrado que este estado es termodinámicamente estable para cualquier elemento.

La técnica de aprendizaje automático que desarrolló el equipo podría ser útil para modelar el comportamiento de otras sustancias, dice Marius Millot, quien estudia el material en condiciones extremas en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.

"La mayor parte de la materia en el universo se encuentra a altas presiones y temperaturas, por ejemplo, dentro de los planetas y de las estrellas", agrega.

Estados exóticos

Ahora que se confirma la fase de fusión de la cadena del potasio, se une a la serie conocida de otros estados inusuales de la materia más allá del gaseoso, del líquido y del sólido.

Plasma: Una forma de gas sobrecalentada en la que los núcleos atómicos están separados de sus electrones, lo que significa que pueden generar y ser afectados por campos eléctricos y magnéticos.

Condensado de Bose-Einstein: Sólo formado a temperaturas cercanas al cero absoluto, todos los átomos en este material comienzan a actuar como una sola partícula.

Superconductor: Un estado que se logra cuando ciertos metales se enfrían a bajas temperaturas, y la electricidad puede moverse a través de ellos sin resistencia.

Superfluído: Un líquido enfriado casi al cero absoluto, de modo que puede fluir sin fricción, incluso subiendo por los lados de un recipiente y goteando por el exterior.

Materia degenerada: Sólo se encuentra bajo las presiones extremadamente altas logradas en enanas blancas y estrellas de neutrones, dos tipos de estrellas muertas.

Plasma de quark-gluones: Un estado en el que los protones y los neutrones se disuelven en sus quarks constituyentes, que pueden moverse libremente entre las partículas llamadas gluones que llevan la fuerza fuerte.