La cristalización es un fenómeno fascinante que abarca desde la delicada formación de un copo de nieve hasta el desarrollo de estados de la materia revolucionarios. La ciencia detrás de la cristalización nos permite comprender la diversidad de formas que adoptan los cristales y cómo estas se ven influenciadas por factores ambientales.
Johannes Kepler, en 1611, escribió el primer tratado científico dedicado a la morfología de los cristales de nieve desde un punto de vista científico. René Descartes también los estudió en 1637 en su tratado sobre los fenómenos meteorológicos «Les Météores.» Estas primeras investigaciones observaron la variedad de los cristales pero no pudieron explicarla. Desde finales del s. XIX, con la aparición de la fotografía, Wilson Bentley catalogó varios miles de imágenes de cristales de nieve (publicadas en 1931). Las bellas imágenes de Bentley son las responsables de que los cristales de nieve se hayan convertido en un icono del invierno.
Ukichiro Nakaya realizó los primeros estudios en laboratorio del crecimiento cristalino en los 1930, obteniendo los primeros cristales de nieve «sintéticos» a diferentes temperaturas y supersaturaciones. El diagrama morfológico de más abajo es producto de su trabajo. Muestra el crecimiento de cristales de nieve a una presión estándar de 1 atmósfera (actualmente se ha extendido hasta temperaturas de -70°C.
En última instancia, esta gran variedad de formas (morfología) de los cristales es una función de la temperatura y de la supersaturación del vapor de agua en el momento en el que crecen (esto se descubrió hace 75 años) y hoy creemos entender sus principios físicos generales. El cristal empieza a crecer alrededor de una pequeña impureza química disuelta en el aire. La estructura molecular de la superficie del cristal de hielo es extremadamente sensible a los factores ambientales, siendo esta sensibilidad la última responsable de su gran variedad morfológica. El proceso de solidificación limitada por la difusión explica gran número de los patrones que observamos, como el crecimiento de dendritas. Los mecanismos físicos que gobiernan la formación de cristales de nieve, un caso particular de la dinámica del crecimiento cristalino en fase de vapor, se estudian con detalle en el artículo de revisión de Kenneth G. Libbrecht, «The physics of snow crystals,» Reports on Progress in Physics 68: 855-895, 2005, de donde he extraído las figuras de esta entrada y que recomiendo a los interesados en detalles técnicos. En esta entrada me limitaré a mostraros imágenes.
El crecimiento de los cristales de nieve viene controlado por varios factores en competición: la difusión de las partículas de hielo, las pérdidas de calor latente por la solidificación, y la formación del frente de solidificación que determina las condiciones de contorno para la difusión. Son tres fenómenos que compiten entre sí. Dependiendo de las condiciones ambientales, uno de estos fenómenos pueda dominar sobre el resto o dos de ellos pueden competir entre sí sin contar con el tercero. Como estos fenómenos son no lineales su competición es responsable de la enorme variedad y belleza de la morfología de los cristales resultantes.
Cristalización de Sacarosa y Campos Magnéticos
El estudio del fenómeno de la nucleación y crecimiento de cristales tiene especial interés e importancia, pues permite comprender mejor el efecto de las condiciones de cristalización sobre la morfología cristalina de los materiales. Es en este tema que los estudios sobre la influencia del campo magnético en las soluciones de sacarosa juega un novedoso papel, son pocos los trabajos realizados en esta área de investigación. Este trabajo se encamina a demostrar de forma experimental que un campo magnético estático debidamente aplicado, influye positivamente en el crecimiento de los cristales de sacarosa.
La cristalización a partir de soluciones a pesar de ser una operación conocida desde hace muchos siglos, comenzó a ser efectivamente estudiada científicamente a partir de la segunda mitad del siglo pasado. Dentro de la ciencia de la ingeniería química, la cristalización era vista hasta hace pocos años como una operación unitaria de separación física. Recientemente, la cristalización y la precipitación pasaron a ser entendidas como un sistema de fenómenos que ocurren simultáneamente, pudiendo el mismo ser considerado como un reactor físico, para el caso de la cristalización en solución y sistemas con adición de no-solventes y como un reactor químico, para la precipitación química. La operación de cristalización comprende dos procesos distintos: la formación de gérmenes, centros o núcleos de cristalización, bien en una disolución transparente o con sólidos suspendidos y, en segundo lugar, la precipitación del soluto sobre los núcleos ya formados; este último proceso suele denominarse “crecimiento de los cristales”. La combinación de estos dos procesos determina el tamaño medio del producto, como también la distribución de tamaños de los cristales.
Para el desarrollo del trabajo se diseñó y ejecutó un experimento de crecimiento de cristales, a partir de gérmenes cristalinos (cristales de azúcar seleccionados) a escala de laboratorio con soluciones sobresaturadas de sacarosa al 15 % a 24 ºC, sometidos a la acción de un campo magnético estático entre 2000 y 3500 G, valorando la velocidad de crecimiento lineal. El análisis del crecimiento cristalino lineal reportó que en presencia de campos magnéticos débiles, existe un aumento significativo del tamaño del cristal en el tiempo respecto a cristales no tratados.
Los métodos de medición de la velocidad de crecimiento de los cristales se pueden dividir en dos grupos: métodos directos, en este grupo se incluyen los métodos experimentales que utilizan el microscopio, y los indirectos, que son basados en otros datos experimentales, por ejemplo, distribución de tamaños de los cristales. En el proceso de fabricación de la sacarosa es de vital importancia el control de la velocidad de crecimiento de los cristales, pues de ello depende su calidad y uniformidad en la distribución del tamaño, así como el rendimiento de la industria.
Resultados del Tratamiento Magnético
Como se puede observar, en ambos casos la velocidad media de crecimiento de los cristales del sistema solución-cristal tratado magnéticamente, resultó ser mayor que la de los cristales del sistema solución-cristal no tratado. Se puede observar también que este parámetro aumentó significativamente con la intensidad del campo magnético aplicado.
Las figuras 4 y 5 muestran imágenes de microscopía electrónica de barrido de cristales de azúcar crecidos, sin y con la aplicación de un campo magnético externo respectivamente. Se puede observar que los bordes de los cristales crecidos con aplicación del campo magnético resultaron ser más regulares, definiéndose mejor la estructura poligonal de éstos.
El mecanismo de acción del campo magnético pudiera tener como base la amplificación de las fluctuaciones magnéticas que se producen dentro de la solución de sacarosa, como consecuencia del intercambio de energía con el campo magnético externo a través del momento angular de los rotores moleculares de agua, tal como lo predice el modelo mecano-cuántico de Cefalas y col. (2008). La deshidratación y disociación de estos solutos complejos deben presentar un obstáculo considerable en la transición al estado sólido, cuya resistencia debe disminuir considerablemente con el incremento de la temperatura, ya que ambos procesos son altamente endotérmicos. La destrucción parcial de la red de enlaces de hidrógeno del agua de hidratación puede tener un efecto, en algunos aspectos, similar al del aumento de la temperatura sobre la deshidratación y disociación de las moléculas de sacarosa, lo que explicaría los efectos del campo magnético estático de moderada intensidad sobre el proceso de cristalización.
Cristal Líquido Cuántico: Un Nuevo Estado de la Materia
Los científicos están pasmados con esto. La ciencia acaba de romper las reglas del juego. Mientras vos te preocupás por si tu celular se queda sin batería, científicos de la Universidad Rutgers descubrieron algo que podría hacer que esa preocupación sea historia: el cristal líquido cuántico, un nuevo estado de la materia que desafía todo lo que creíamos saber sobre cómo funciona el universo a nivel microscópico.
Este breakthrough surgió cuando combinaron un semimetal de Weyl con hielo de espín bajo campos magnéticos extremos. La magia sucedió en la interfaz, esa zona de contacto donde dos materiales se encuentran y crean algo completamente nuevo. Lo que hace único a este descubrimiento es su anisotropía electrónica: el material conduce electricidad de manera diferente según la dirección, incluso invirtiendo el flujo cuando aumentás el campo magnético. Es como tener un río que cambia de dirección dependiendo desde dónde lo mires. Esta "ruptura de simetría rotacional" en el ámbito cuántico abre puertas que ni siquiera sabíamos que existían.
Aunque el nombre incluya "líquido", no es como el agua. El término "cristal líquido" se refiere a cómo sus propiedades, aunque esté en estado sólido, pueden tener un tipo de orden intermedio, a veces con cierta movilidad o facilidad para que sus componentes se reorganicen, similar a cómo las moléculas de un cristal líquido tradicional se orientan. Pero acá viene lo realmente explosivo: este estado cuántico es inherentemente robusto frente a perturbaciones. ¿Sabés qué significa eso? Computadoras cuánticas que no se "rompen" cada vez que les llega un poco de ruido ambiental.
Potencial y riesgos de un nuevo supercomputador | DW Documental
Hoy en día, uno de los mayores desafíos para construir computadoras cuánticas es mantener sus "bits cuánticos" (qubits) estables y coherentes. Este nuevo estado de la materia, con sus propiedades electrónicas y magnéticas tan precisas y controlables, podría ofrecer una forma de fabricar qubits que sean menos sensibles a las interferencias externas. Esto significa que estos ordenadores podrían hacer cálculos complejos por mucho más tiempo sin errores, lo que aceleraría la investigación en campos como el desarrollo de medicamentos, el diseño de materiales o la resolución de problemas de logística.
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