Si observáramos un vidrio a través de un microscopio muy potente, notaríamos que su estructura interna es desordenada, como si fuera un líquido. Pero lo sorprendente es que a pesar de ello presenta la rigidez de un sólido cristalino, cuya estructura es más bien ordenada. Esa aparente contradicción y complejidad es una característica del comportamiento mecánico de los llamados sistemas vítreos, que han atrapado la atención de los físicos desde hace varias décadas.
Un estudio publicado por Rubén Gómez Solano, investigador del Instituto de Física (IF) de la UNAM e investigadores de la Universidad de Konstanz, en Alemania, propone un nuevo método para explorar las propiedades mecánicas y estructurales de materiales blandos cerca de la transición vítrea.
Su propuesta se basa en el empleo de partículas activas, un tipo de partícula sintética cuyo tamaño es de unos cuantos micrómetros, y que es capaz de imitar el movimiento de muchos microorganismos.
En el artículo, publicado en la revista Nature Materials, Gómez Solano y sus colegas explican que investigar las propiedades físicas de un vidrio cerca de la transición vítrea, es decir, cerca del punto en el que deja de comportarse como un líquido simple para presentar rigidez y elasticidad como sólido, ha sido un reto para la ciencia.
La razón es que, en general, los sistemas vítreos están compuestos por un gran número de partículas que interactúan, con heterogeneidades dinámicas en su estructura. Además, siendo sistemas preparados fuera del equilibrio térmico, sus propiedades físicas varían como función del tiempo a medida que el sistema tiende a buscar el equilibro.
“Pero también hay otros desafíos, en particular, la determinación de sus tiempos característicos de relajación ya que al aplicar alguna perturbación externa, los tiempos que tienes que medir son enormes”, mencionó Gómez Solano.
A pesar de esta aparente complejidad para investigar experimentalmente sistemas cerca de la transición vítrea, los investigadores pudieron emplear partículas activas para obtener directamente información sobre propiedades micromecánicas de vidrios coloidales, es decir, un tipo de vidrios formados por una gran concentración de esferas sólidas micrométricas, suspendidas y empaquetadas en un solvente acuoso.
Su técnica experimental, la cual consiste en una implementación de un tipo especial de microreología, tiene ventajas respecto a otras: permite hacer un análisis más rápido, mayor libertad para conocer las propiedades micromecánicas del vidrio, como tiempos de relajación o viscosidades, y determinar el punto exacto donde ocurre la transición vítrea.
Activando partículas Janus
Para conocer las características mecánicas de un material complejo como el vidrio coloidal, los investigadores emplearon partículas activas que funcionan como un microaparato llamado microriómetro, el cual es impulsado al interior del medio para medir su respuesta mecánica a la deformación aplicada por la misma partícula.
Una partícula activa es una partícula coloidal sintética que en su superficie tiene dos hemisferios, uno de ellos cubierto con una delgada capa de un material que absorbe luz de manera selectiva, lo cual le permite convertir la energía del medio en movimiento dirigido, es decir, es capaz de autopropulsarse en un líquido simplemente iluminándola con luz de longitud de onda e intensidad adecuadas.
Las partículas activas fueron añadidas a una suspensión coloidal formada por una mezcla binaria líquida de agua más lutidina (compuesto orgánico aromático) a la cual agregaron partículas coloidales esféricas de sílice de dos diferentes tamaños (a nivel de micras).
Al incrementar la concentración de partículas de sílice en la mezcla binaria líquida, la viscosidad de la suspensión coloidal resultante, es decir, su resistencia a una deformación, aumenta de manera muy pronunciada hasta un punto en el que las partículas no tienen espacio suficiente para moverse libremente en el líquido, presentando de esta manera una transición vítrea.
Una vez que introdujeron las partículas activas en la suspensión coloidal tuvieron que, precisamente, activarlas mediante luz de láser. Esa luz incide en toda la partícula activa pero la parte que se cubrió con el material absorbente de luz (por ejemplo, carbono) se calienta, lo que da lugar a una conversión de energía luminosa en autopropulsión.
“A diferencia de otros métodos como los campos magnéticos o las pinzas ópticas que permiten dirigir el movimiento de una partícula, las partículas activas se mueven de manera más autónoma, se autopropulsan. Solo las iluminas con el láser y ellas por su dinámica interna se mueven a través del medio, de manera parecida al movimiento de los microorganismos tales como bacterias”, detalló Rubén Gómez Solano.
El investigador explicó cómo es que una partícula activa les permite entender las propiedades mecánicas de los vidrios coloidales:
“Con el láser controlamos la fuerza efectiva con que se propulsan a las partículas activas a través del medio coloidal y medimos las fuerzas resultantes que ejercen las partículas del medio coloidal circundante. Al aplicar una fuerza dada, el movimiento de una partícula activa disminuirá si aumenta la concentración de partículas de la suspensión coloidal, ya que el medio opondrá más resistencia viscosa”, explicó.
De esa manera, al conocer el movimiento de las partículas activas los físicos pudieron obtener información sobre la resistencia del fluido coloidal (viscosidad) o el tiempo que tarda el fluido en relajarse tras ser perturbado por las fuerzas aplicadas con el láser (tiempos de relajación).
Un ojo a la rotación de las partículas
Durante la etapa experimental, los investigadores estudiaron dos tipos de movimientos de las partículas activas: el traslacional y el rotacional. Ambos ocurren debido a que la partícula activa está sujeta tanto a la fricción traslacional como rotacional del medio, así como al ruido térmico que se origina del movimiento aleatorio de las moléculas del fluido.
“Lo que hacemos es poner la suspensión coloidal bajo el microscopio, grabamos videos de la muestra y lo que registramos es la evolución temporal de la posición de la partícula activa, es decir, su traslación, pero además la ventaja de usar estas partículas es que podemos detectar su orientación, con lo cual se pueden estudiar cambios temporales de ángulo (rotación)”, afirmó Rubén Gómez Solano.
De acuerdo con el investigador, anteriormente otros científicos del mundo habían intentado conocer las propiedades mecánicas de vidrios coloidales mediante técnicas microreológicas solo analizando el movimiento traslacional de las partículas pasivas. Pero en este estudio Gómez Solano y su equipo se dieron cuenta de que la clave está más bien en observar qué es lo que pasa con la rotación de las partículas activas.
Las partículas activas, además de hacer una trayectoria casi recta, también pueden cambiar su dirección (orientación), de forma muy similar a como lo hacen muchos microorganismos, lo que les da un grado más de libertad en su movimiento.
“La orientación te va a proporcionar información adicional sobre las propiedades mecánicas del medio como la viscosidad o los tiempos de relajación, que está ausente en los métodos que te comenté”, mencionó Gómez Solano.
Uno de los resultados más importantes que se pueden conocer mediante el movimiento rotacional es el punto exacto donde el sistema vítreo deja de comportarse como un líquido y comienza a comportarse como un sólido amorfo (transición vítrea).
“Conocer la naturaleza de la transición vítrea es una curiosidad teórica que existe al menos desde la década de los 90”, explica Gómez Solano.
Y eso tiene además consecuencias prácticas. “Podemos pensar en aplicaciones, por ejemplo, si tenemos un fluido complejo importa saber en qué punto se va a comportar de manera vítrea dependiendo de la variación de sus parámetros de control tales como la densidad de partículas o la temperatura”, dijo el investigador del IF.
En otros sistemas ya se había identificado experimentalmente el punto de la transición vítrea, pero es la primera vez que se conoce en sistemas vítreos coloidales de manera rápida mediante la rotación de las partículas activas, pues cuando el fluido coloidal se acerca a la transición vítrea se vuelve muy lento medir la traslación de estas partículas pero los científicos encontraron que era más rápido medir su rotación.
El futuro en partículas activas
Para realizar esta investigación, Gómez Solano colaboró con un equipo de científicos de la Universidad de Konstanz, en Alemania, donde se realizaron las pruebas experimentales.
La mayor contribución del investigador mexicano consistió en la formulación de un modelo de ecuaciones que describe el movimiento de la partícula activa a través del vidrio coloidal. Esto permitió la interpretación de los resultados experimentales así como la cuantificación de la importancia de la rotación de las partículas activas y su conexión con las propiedades del medio coloidal.
El físico adscrito al Departamento de Sistemas Complejos del IF indicó que el uso de partículas activas promete avances no solo para los vidrios coloidales sino para entender otros materiales blandos fuera de equilibrio y fluidos complejos tales como geles, suspensiones coloidales, polímeros, tejidos y fluidos biológicos.
“El uso de partículas activas también podría tener aplicaciones médicas como la administración más efectiva de fármacos, o ambientales como la purificación de agua al quitar contaminantes de un medio, pero en este caso sí se requeriría trabajar de la mano con otros científicos para dotar a las partículas de propiedades químicas particulares para realizar tareas específicas”, añadió.
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