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Física

Sólidos bien maleables

Simulaciones en computadora ayudan a entender la flexibilidad de los cristales de helio

Maurice de Koning/ Unicamp En el helio sólido, los defectos (las esferas azules, blancas y verdes) se desplazan a lo largo de las capas del cristalMaurice de Koning/ Unicamp

Los cristales compuestos por átomos del elemento químico helio-4 presentan un comportamiento sorprendente. Cuando alcanzan temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 °C), dichos cristales, creados en laboratorio, adquieren una inesperada plasticidad. Dejan de ser rígidos como una roca para volverse tan maleables como una plastilina.

Esta propiedad ‒la plasticidad gigante del helio sólido–, descubierta en 2013,  aún no se entiende claramente. Simulaciones en computadora del comportamiento de los átomos de helio empiezan a revelar de qué manera surge. “Nuestras simulaciones sugieren que pequeños defectos en la estructura del cristal desempeñan un papel importante en definir la capacidad del helio sólido de deformarse plásticamente”, dice el físico Maurice de Koning, de la Universidad de Campinas (Unicamp), uno de los autores del estudio publicado en julio en la Physical Review Letters.

El helio es el elemento químico más liviano, después del hidrógeno. A  temperatura ambiente y a presión atmosférica, existe en la forma de gas. Sólo cuando se lo enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto, el helio se transforma en líquido. Este cambio de estado ocurre tanto con su variedad de masa atómica 3, en la cual el átomo está formado por dos protones y un neutrón, como con la de masa atómica 4, que contiene dos protones y dos neutrones. Si además de enfriárselo, también se lo somete a altas presiones, el helio-4 se congela, transformándose en un sólido cristalino. En el cristal, sus átomos se ordenan formando un patrón geométrico más o menos uniforme, compuesto por capadas planas apiladas.

Así y todo, y al igual que todo cristal, esta estructura posee defectos o discordancias: ausencia de átomos en algunos puntos o átomos desplazados de la posición ideal en otros. Algunos de estos defectos tienen la forma de líneas finas y alargadas. Cuando se aplica una determinada fuerza sobre el cristal, estas discordancias pueden migrar a lo largo de una misma capa, haciendo que los planos se desplacen unos con relación a los otros y deformen el material. “Cuanto más fácilmente puedan moverse esas discordancias, una menor fuerza se hace necesaria para deformar el material”, explica De Koning.

Aplicando las leyes de la mecánica cuántica, De Koning y dos colaboradores de Estados Unidos simularon en computadora lo que sucede en un cristal de helio-4 con 8 mil átomos (un cristal de milímetros crecido en laboratorio contiene miles de millones de átomos). El cristal virtual estaba formado por capas perfectas, excepto por dos discordancias, cada una con algunas decenas de átomos de longitud.

Las simulaciones indicaron que, aun a temperaturas tan bajas, fluctuaciones en la posición de los átomos de helio hacen que las discordancias cambien de lugar tiempo el todo de manera espontáneo, incluso cuando ninguna fuerza actúa sobre el cristal. “La movilidad de éstas es sumamente alta”, dice De Koning. “A temperaturas lo suficientemente bajas, no es necesaria mucha fuerza para que empiecen a moverse.”

“Los cálculos que hicieron coinciden precisamente con lo observado [en pruebas con muestras reales de cristal]”, dice el físico Sébastien Balibar, de la Escuela Normal Superior de París, Francia, cuyo equipo descubrió la plasticidad gigante del helio. Según Balibar, el desplazamiento de discordancias en el cristal es el mismo fenómeno que hace que aleaciones metálicas convencionales como el acero se vuelvan maleables a altas temperaturas. “Mientras que en esos materiales las discordancias requieren altas temperaturas y grandes fuerzas para moverse, efectos cuánticos hacen que las discordancias del helio sólido se muevan rápidamente en condiciones opuestas”, afirma.

Proyecto
Centro de Ingeniería y Ciencias Computacionales – Cecc (nº 2013/08293-7); Modalidad Programa Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Investigador responsable Munir Salomão Skaf (Unicamp); Inversión R$ 14.009.150,98 (para el proyecto completo).

Artículo científico
BORDA, E. J. L.; CAI, W. y DE KONING, M. Dislocation structure and mobility in hcp 4He. Physical Review Letters. 22 jul. 2016.

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