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Osvaldo Carvente Muñoz, profesor investigador de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán (UADY) realizó una investigación sobre la “Auto-organización reversible de sistemas de esferas no-Brownianas”, la cual fue publicada en la prestigiada revista de física “Physical Review Letters”, en ella se publican resultados de investigaciones sobre temas relacionados con todos los campos de la física .
El profesor explicó que la investigación consiste, en la auto-organización, proceso universal en la naturaleza que ocurre a diferentes escalas y de diferentes maneras, desde la formación de proteínas a nivel molecular hasta la conformación de todos los sistemas biológicos de la tierra, diamantes, metales, etc.
Desde el punto de vista científico, la auto-organización se contempla como un mecanismo que nos permita la construcción de objetos artificiales que presenten, por ejemplo, las dimensiones y complejidad de células u orgánulos, o estructuras con propiedades similares a los exoesqueletos de algunos escarabajos, los cuales “cambian” de color según la dirección de incidencia de la luz (propiedad replicada en los cristales fotónicos), o incluso en el diseño de moléculas de ADN, por mencionar sólo unos pocos ejemplos.
La organización espontánea (auto-organización) de los componentes discretos de un sistema se debe a interacciones específicas (influencia directa) y al entorno que las rodea (influencia indirecta), dando como resultado la formación de estructuras cuyos componentes ocupan posiciones bien definidas.
El tipo de estructuración influye de manera directa en las propiedades mecánicas, elásticas, electromagnéticas, térmicas, etc., lo anterior puede ejemplificarse en los diamantes y el grafito, son estructuras diferentes cuyos átomos se ubican en arreglos diferentes, pero están conformadas por el mismo tipo de átomo, carbono.
Por otra parte, es interesante notar que, a pesar de muchos años de investigación, la auto-organización aún es considerada como un proceso en una dirección, del desorden al orden, y no como un proceso reversible, es decir, teniendo un sistema desordenado y por medio de la auto-organización alcanzar una estructuración bien definida, y poder continuar hasta llegar a otra estructuración, y viceversa (auto-organización reversible).
Un ejemplo importante de reversibilidad estructural se presenta en los camaleones, quienes ejecutan su distintiva habilidad de cambiar de color por medio de la auto-organización local de la estructura de su piel. Tal habilidad inspiró el desarrollo de nuevos materiales capaces de cambiar su estructura y sus propiedades fisicoquímicas cuando son estimulados externamente. El entendimiento del proceso de auto-organización se basa principalmente en el estudio de modelos o sistemas que podamos controlar experimentalmente y en los cuales sea posible tomar mediciones de la dinámica que siguen los componentes individuales del sistema.
En este contexto, el sistema más simple para el estudio de la auto-organización, pero que además ha resultado ser sumamente útil en el estudio de las propiedades termodinámicas de los denominados sistemas fuera del equilibrio, está compuesto por partículas (esferas metálicas) de tamaño milimétrico (por su tamaño, las perturbaciones térmicas no las afectan, por eso son partículas no-Brownianas), depositadas en contenedores que cumplen ciertas condiciones de conmensurabilidad, y que pueden presentar características físicas análogas a los gases, líquidos o solidos cuando son perturbados externamente por medio de vibraciones mecánicas externas, usualmente el contenedor se somete a perturbaciones sinusoidales verticales u horizontales.
En el laboratorio de medios granulares y fluidos complejos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán, desarrollamos un novedoso proceso de auto-organización de esferas no-Brownianas que nos permite obtener arreglos cristalinos fcc, similares a la estructura del oro y la plata, (face-centred-cubic, cúbica-centrada-en la cara) y bct (body-centred-tetragonal, centrada en el cuerpo del tetrágono). Aún más novedoso, logramos una auto-organización cristalina reversible, es decir, podemos ir de la estructura fcc a la bct, y de la bct a la fcc, tantas veces como queramos.
Cabe resaltar que el equipo experimental es 100% local, fue diseñado y construido en su totalidad en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería, consta de vibradores electromecánicos operados por tarjetas de control y una computadora.
La dinámica que rige la auto-organización reversible fue capturada con una cámara de alta velocidad (de hasta 60 mil cuadros por segundo), lo que nos permitió el análisis de las trayectorias individuales de las partículas, dando como resultado que para obtener estructuras bct es necesario restringir unidimensionalmente el movimiento periódico del contenedor, mientras que para la fcc debe ser un movimiento cuasi-bidimensional (horizontal-vertical de magnitud comparable), dichas restricciones, en términos más técnicos, permiten modular el espacio fase al cual tienen acceso las partículas.
Es decir, la fcc se obtiene cuando las partículas tienen mayor espacio fase accesible mientras lentamente hacemos disminuir su energía cinética comparado con el espacio fase accesible de la bct. La modulación del espacio fase permite que el sistema pueda explorar todos los estados accesibles (congruentes con las restricciones de vibración), y por tanto se modula la probabilidad de que el sistema encuentre un estado de mínima energía global (cristalización fcc) o local (cristalización bct) al final del proceso de auto-organización.
Además, durante el proceso es necesario mantener un gradiente de temperatura (la temperatura en este caso se define como las fluctuaciones de las velocidades de las partículas), menor temperatura en la base (la que actúa como centro de nucleación) y mayor en la parte superior del sistema. Otro aspecto crucial derivado del estudio es la observación de una competencia de formación de dominios cristalinos (pequeños grupos de partículas que muestran ordenamiento espacial), lo que nos permite entender la estabilidad energética en la nucleación heterogénea.
Cabe mencionar que experimentalmente no se había observado la competencia de dominios cristalinos en partículas no-Brownianas, a pesar de ser una idea de Ostwald de hace 100 años.
La información derivada del presente trabajo de investigación puede implementarse de manera directa tanto en estudios teóricos para el entendimiento de la auto-organización en sistemas de partículas coloidales, conformación de cristales fotónicos con propiedades reversibles o en futuros microchips fotónicos, y en todo sistema susceptible a cambios de fase debido a perturbaciones externas, o incluso para entender la reversibilidad continua de la red cristalina en nano-hilos de níquel más allá del límite elástico.
El lector que requiera mayor información sobre el trabajo de investigación puede consultar el siguiente link: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.074302. También puede ponerse en contacto con el autor de correspondencia (osvaldo.carvente@correo.uady.mx).
Sin duda, el trabajo de investigación pone de manifiesto la labor y la importancia de la investigación de calidad que se hace en nuestra universidad, y que en cierta medida contribuye al logro de los objetivos estratégicos del Plan de Desarrollo Institucional 2014-2022
Es un artículo de investigación publicado en una de las mejores y más prestigiadas revistas de investigación en física del mundo.
Finalmente, es importante notar que la labor de investigación es auspiciada por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) a través de proyectos de investigación, mismos que son avaladas inicialmente por las autoridades de cada institución (el rector es el responsable legal), aprobadas por consejos científicos (Conacyt) y administrados por los directores de las facultades (responsable administrativo). Yucatán Ahora
