Agregando estados a los estados agregados de la materia

Tras un breve periodo de inactividad en el que nos hemos marchado con nuestros átomos de vacaciones, volvemos a la carga con renovadas fuerzas. En esta nueva entrega me gustaría hablaros de los estados de la materia, o estados de agregación de la materia, como normalmente se los denomina, ya que son muestras de cómo la materia se «agrega» y se nos presenta.

De pequeños nos enseñan que los estados de la materia son tres: sólido, líquido y gaseoso. Y de pequeño nos parece que son suficientes y que pueden describir todo aquello que observamos. Pero en la vida real las cosas nunca son tan sencillas. Se han descubierto algunos nuevos estados que no son tan fácilmente observables. Veamos…

Aunque en nuestra vida cotidiana podemos encontrarnos materiales en cualquiera de los tres estados anteriores, estos no son más que casos particulares de combinaciones de determinados materiales con determinados valores de presión y temperatura. Pero, en principio, cualquier material puede presentarse en cualquiera de estos tres estados si se dan las condiciones necesarias para ello. Por ello vamos a partir del estado sólido y veamos qué ocurre si modificamos sus condiciones.

Los materiales se nos presentan en estado Sólido cuando las fuerzas de atracción entre sus moléculas son mayores que las fuerzas que intentan separarlas (movimiento atómico). Esto provoca que las moléculas individuales no puedan moverse libremente, sino que quedan «encajadas» entre otras, presentando un aspecto inmóvil e indeformable. O lo que es lo mismo, poseen forma y volumen constantes. De esta forma, las partículas de un material sólido no pueden trasladarse a lo largo del material, sino que tan sólo pueden vibrar en sus posiciones.

Material en estado sólido

Recordemos ahora que la temperatura es una medida del movimiento de los átomos que componen un sistema (su energía). De esta forma si aumentamos la temperatura del sistema lo que estaremos haciendo en realidad es provocar un mayor movimiento de dichos átomos.

Pues bien si aumentamos lo suficiente la temperatura de un material, sus átomos ahora se moverán tan deprisa que la fuerza que los mantenía unidos no será suficiente para mantener una estructura rígida. Los átomos, entonces, podrán trasladarse con relativa independencia a lo largo de todo el material. El material se encuentra ahora en estado Líquido. Los líquidos se caracterizan por tener volumen constante, pero no ocurre lo mismo con su forma, ya que adquieren la del recipiente que las contiene. En función de la capacidad de sus partículas para desplazarse entre ellas se definirán propiedades como la fluidez o la viscosidad.

Los tres estados fundamentales de la materia

Si seguimos aumentando la temperatura llega un momento en el que la fuerza que une sus moléculas es tan débil (en comparación con el movimiento atómico) que sus partículas pueden moverse libremente por todo el volumen en el que están contenidas. El material se encontrará entonces en estado Gaseoso, que se caracteriza por  no tener forma ni volumen fijos. Sus partículas se mueven a gran velocidad ocupando todo el espacio disponible pero dejando mucho espacio vacío entre ellas. Esto explica propiedades como la compresibilidad y la expansibilidad (debemos notar que la compresibilidad tiene un límite, y es que si comprimimos mucho un material en estado gaseoso, éste pasará de nuevo a estado líquido).

Y esto es lo que a todos nos suena, ¿verdad? Bien. Veamos un poco más…

Ahora que se han puesto tan de moda las televisiones de Plasma a todos nos suena esa palabra, pero no todo el mundo sabe lo que es ni lo conoce como el cuarto estado de la materia.

Para explicarlo volvamos a nuestro material a alta temperatura que hemos convertido a estado gaseoso. Si seguimos aumentando su temperatura (Ahora sus átomos chocan entre sí con mucha mucha violencia), llega un momento en el que la materia se «rompe». Los electrones son arrancados de sus órbitas quedando (iones) una sopa densa y muy caliente de núcleos atómicos y electrones libres. Y este es el estado denominado plasma.

Los núcleos solares están formados de plasma

Pero este es un estado raro ¿no? No debe de ser fácilmente observable y debe de ser un estado de la materia poco abundante ¿verdad? Pues no. En realidad el plasma es el estado de la materia más abundante en el universo, siendo un 99% de toda la materia. El núcleo de las estrellas (esto es mucha materia), los fluorescentes o incluso el fuego (sí, sí, el fuego!) se encuentran en estado de plasma.

Una de las propiedades interesantes del plasma es su alta conductividad, al contrario que en los gases fríos. Por ello son utilizados para el alumbrado en los tubos fluorescentes, que son más eficientes que las bombillas de tungsteno habituales.

Muy bien, hemos visto un estado de la materia que no conocíamos ¿Y ahora? Pues la cosa no acaba aquí, vamos a seguir investigando…

Hasta ahora hemos ido aumentando cada vez más la temperatura de nuestro material, es decir, le hemos estado aportando energía. Pero ¿qué ocurre si en lugar de aportarle energía se la quitamos? Lógicamente volveríamos a pasar de nuevo por los estados anteriores en orden inverso. Pero si aún en el estado sólido siguiésemos quitándole energía a nuestro sistema hasta acercarnos al cero absoluto ¿qué ocurriría?

Recordemos, antes de nada, qué es el cero absoluto. Tal y como hemos dicho antes, la temperatura de un cuerpo es una medida del movimiento de sus átomos. A mayor temperatura, mayor es su movimiento, y viceversa. De esta manera, el cero absoluto es el punto en el que hemos disminuido tanto la temperatura que los átomos se encuentran completamente parados. Esta temperatura es de -273,15 ºC ó 0 Kelvin, y es el límite inferior para la temperatura. No puede haber ninguna temperatura inferior a ésta, puesto que los átomos no pueden reducir aún más su movimiento.

Pues bien, si le quitamos tanta energía a nuestro sistema como para acercarnos al cero absoluto, determinados materiales cambian a un estado conocido como Condensado Bose-Einstein. Y digo determinados porque no todas las partículas pueden alcanzar este estado. Tan sólo pueden estar en este estado los bosones ¿Qué significa esto? Pues que es un estado de la materia más extraño que los que hemos visto hasta ahora.

Firma de temperatura de condensado Bose-Einstein

En la naturaleza las partículas pueden dividirse en dos grupos, fermiones y bosones. Los primeros son las partículas de materia (protones, neutrones, electrones…) y se caracterizan por tener espín semi-entero. Los segundos son las partículas portadoras de interacción (gluón, fotón, fonón, bosón de Higgs…) y se caracterizan por tener espín entero. Este segundo grupo, los bosones, además, se caracteriza por no cumplir el Principio de Exclusión de Pauli, que establece que no puede haber varias partículas con todos sus números cuánticos iguales. No entraremos en más detalles acerca de los números cuánticos y diremos únicamente que se refiere a que no puede haber varias partículas con el mismo estado cuántico.

Dado que los bosones son partículas que NO cumplen el Principio de Exclusión de Pauli empezamos a ver por qué puede ser especial este estado de la materia. Y es que es algo curioso, porque al acercar la temperatura de nuestro material al cero absoluto nuestras partículas dejan de comportarse como partículas individuales y se comportan como una única partícula, ya que el estado cuántico de todas ellas es el mismo.

Explicando esto mediante el Principio de Incertidumbre de Heisenberg (que dice, básicamente, que no se pueden determinar con la misma precisión la velocidad y la posición de una partícula. A mayor precisión en una de ellas, menor precisión en la otra) podríamos decir que ya que la velocidad de todas las partículas está muy bien definida (velocidad cero) la indeterminación en su posición debe de ser enorme, pero igual en todas ellas, de manera que no nos será posible distinguir un único átomo. Dado que la probabilidad de posición de todas ellas es la misma, nos hacemos a la idea (haciendo una analogía desde nuestro punto de vista clásico) de que todas están en la misma posición. En realidad, desde un punto de vista cuántico (no clásico) esto es algo más complicado, pero nos vale para hacernos una idea.

Incertidumbre en la posición

Vale, vale, pero…  ¿y esto para qué sirve? Pues veréis, los condensados pueden tener algunas características muy peculiares. Por ejemplo, la Superconductividad es un ejemplo de condensado, que se caracteriza por la ausencia de resistencia eléctrica (video). La superfluidez es otro ejemplo de condensado, que se caracteriza por la ausencia de viscosidad. Y estas propiedades pueden sernos muy útiles para determinadas cosas, como buscar grietas o pequeñísimos agujeros en materiales mediante superfluidez (video).

Relacionado con este estado de la materia está el Condensado Bose-Einstein fermiónico, que como su nombre indica está formado por fermiones y no bosones y es considerado el sexto estado de la materia. La particularidad de este condensado es que los investigadores que lo consiguieron crear utilizaron campos magnéticos controlados para poder ajustar pares de fermiones con características similares a los bosones y así poder conseguir el condensado.

Pares de fermiones para Condensado Bose-Einstein Fermiónico

Bueno, bueno, menudo tostón, ¿Hemos acabado ya? Pues no. Recientemente se ha descubierto un nuevo estado de la materia, esta vez a niveles muy muy altos de energía, que los científicos han denominado Plasma Gluón-Quark. La transición ocurre a temperaturas alrededor de cien mil millones de grados y consiste en que se rompen las fuertes ligaduras que mantienen unidos los quarks dentro de los núcleos atómicos. Los protones y neutrones están formados, cada uno, por 3 quarks que se mantienen unidos gracias a los gluones (El gluón es la partícula portadora de interacción nuclear fuerte, fuerza que mantiene unida los núcleos atómicos). A temperaturas superiores se vence la fuerza nuclear fuerte y los protones y neutrones se dividen, formando esta sopa denominada plasma Gluón-Quark.

Por último, también hay bastante controversia acerca de si existe o no otro estado de la materia denominado Supersólido en el que se enfría un material (los experimentos se han llevado a cabo con Helio-4) casi hasta el cero absoluto (por lo tanto es otro condensado) y éste se comportaría a la vez tanto como sólido como un superfluído. Se siguen realizando experimentos ya que no todos los científicos están de acuerdo con que dicho estado de la materia sea real. Si se demostrara su existencia se habrían encontrado estados condensados de los tres tipos de estados originales: gaseoso, líquido y sólido.

Bueno, parece que la realidad es un poquito más complicada que como nos la pintaban en el colegio ¿verdad? Y si tenemos en cuenta que esa es sólo la parte que conocemos…

Con esto terminamos nuestra entrega de hoy, ya podéis poner a enfriar vuestros cerebros ultracalentados, consiguiendo un nuevo condensado que pueda dar origen a un nuevo estado agregado de la materia.