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Un equipo internacional liderado por científicos del CSIC ha logrado medir la cinética de cristalización de mezclas líquidas subenfriadas de para-hidrógeno (pH2) y orto-deuterio (oD2) moleculares, observando que es significativamente más lenta que en las sustancias puras. Estos resultados constituyen la primera evidencia experimental de ralentización de cristalización de origen cuántico.
Un equipo internacional liderado por investigadores del Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) ha logrado determinar experimentalmente la cinética de cristalización de mezclas de para-H2 y orto-D2 en microchorros líquidos ("filamentos") mediante espectroscopía Raman con alta resolución espacial.
Los resultados, publicados en la revista Physical Review B Rapid Communications, constituyen la primera evidencia experimental de ralentización de la cristalización de origen cuántico.
Comprender la estabilidad de los líquidos subenfriados respecto a la cristalización es un problema abierto en la Física de Materia Condensada.
Más aún, como en estos sistemas la cristalización compite con la vitrificación, el conocimiento de los mecanismos de formación y crecimiento del cristal podrían ser de gran ayuda para comprender la naturaleza de la llamada transición vítrea.
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos de cinéticas de cristalización se han realizado con coloides o aleaciones metálicas, que cristalizan en escalas de tiempos mucho más lentas que las sustancias moleculares simples, pero presentan algunos problemas intrínsecos como polidispersión o sedimentación que dificultan su interpretación.
Por el contrario, las funciones de onda de las moléculas de pH2 y de oD2, a las temperaturas a las que esas sustancias son líquidas (<20 K), poseen simetría esférica, y su interacción está descrita por un único potencial intermolecular, por lo que las mezclas líquidas pH2/OD2 son un sistema molecular bastante simple, a lo que se añade la posibilidad de explorar efectos cuánticos en líquidos subenfriados.
Para subenfriar las mezclas de pH2 y oD2 se inyectaron microchorros líquidos (de 5 micras de diámetro) en vacío, donde se enfrían rápidamente por evaporación superficial, hasta que finalmente cristalizan. La temperatura de los filamentos y la cinética de cristalización se determinaron registrando los espectros Raman vibracionales del pH2 y del oD2 a distintas distancias a lo largo del filamento. La alta resolución espacial (de unas pocas micras) de esta técnica proporciona una resolución temporal de nanosegundos en la cinética de cristalización.
Las medidas muestran un aumento notable del tiempo total de cristalización al aumentar el contenido de oD2 en las mezclas, triplicándose respecto del pH2 puro para las mezclas entre 20% y 50% de oD2. Este comportamiento es sorprendente dada la naturaleza isotópica de las mezclas de pH2 y oD2, que son cuasi-ideales, y cuyas sustancias puras cristalizan en la misma estructura hexagonal.
El trabajo se ha completado con cálculos cuánticos de Monte Carlo para inferir información estructural de las mezclas líquidas subenfriadas. Las simulaciones muestran que, debido a la deslocalización cuántica, el "tamaño efectivo" de las moléculas de pH2 es mayor que el de las de oD2, lo que a su vez se correlaciona con una mayor tendencia del oD2 a adoptar en el líquido subenfriado estructuras locales icosaédricas, incompatibles con el orden cristalino.
La parte experimental de este trabajo se ha realizado en el Laboratorio de Fluidodinámica Molecular del IEM en Madrid.
M. Kühnel, J. M. Fernández, F. Tramonto, G. Tejeda, E. Moreno, A. Kalinin, M. Nava, D. E. Galli, S. Montero, R. E. Grisenti. "Observation of crystallization slowdown in supercooled parahydrogen and orthodeuterium quantum liquid mixtures", Physical Review B Rapid Communications 89, 180201 (2014). DOI:10.1103/PhysRevB.89.180201
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