Finalmente simulan cambio de estado de la materia

Por: Nueva Acrópolis - Panamá

Investigadores de la Universidad de Rochester han creado un modelo matemático que permitirá a los científicos simular y comprender los cambios de estado de la materia.

Todos sabemos lo que le sucede al agua cuando hierve… todos, menos las computadoras. Simular el proceso de transformación que la materia padece al pasar de un estado a otro (como por ejemplo: de líquido a gas) ha sido imposible. Esto se debe a la gran complejidad del comportamiento de las moléculas al momento de cambiar de un estado a otro. Sin embargo, investigadores de la Universidad de Rochester han creado un modelo matemático que permitirá a los científicos simular y comprender los cambios de estado de la materia, lo cual podría tener un impacto diversas utilidades: desde descafeinar café hasta optimizar la eficiencia de las células de combustible en los automóviles del futuro. Estos hallazgos han sido publicados en el Physical Review Letters.

"Este problema ha desconcertado a los científicos por décadas", dijo Yonathan Shapir, profesor de Ingeniería Física y Química de la Universidad de Rochester y los co-autores del escrito. "Por primera vez un programa de computadora podrá simular un cambio de estado de materia. El problema yacía en que las computadoras se empantanaban cuando llegaban a la 'retardación crítica'. Descubrimos una manera de ejecutar un end-run alrededor del punto crítico de la retardación y los resultados nos permiten calcular ciertas propiedades de dicho punto por primera vez".

La retardación crítica es un fenómeno que sucede cuando la materia llega muy cerca del punto crítico del cambio de un estado a otro. Por ejemplo, cuando las moléculas en un gas son enfriadas, estas pierden movimiento, pero siguen moviéndose y chocándose unas con otras. Cuando la temperatura cae al punto crítico en que el gas se transforma a líquido, el movimiento de las moléculas se vuelve correlacionado, conectado, a través de distancias cada vez mayores. Esta correlación es parecida a decidir dónde cenar: rápido y fácil con dos personas, pero toma una vida entera con un grupo de 20 personas. El ensanchamiento de esta correlación aumenta dramáticamente el tiempo que requiere el gas para alcanzar un equilibrio total y eso a su vez ocasiona un incremento en el tiempo requerido por la computadora para procesarlo, llegando al infinito y empantanándose la misma durante el cruce del punto crítico de cambio de estado del gas.

Para ilustrar el efecto, imaginemos un lago perfectamente puro y calmado. Si tiramos una pequeña piedra, sus ondulaciones se esparcirían hacia fuera, disipándose hasta que el lago regrese a su sereno equilibrio. Pero, si fuéramos a tomar este imposible lago perfecto justo antes del punto crítico y tiramos la pequeña piedra, las ondulaciones permanecerían durante mucho más tiempo, lo más seguro rebotando de las orillas distantes. Este lago imaginario tomaría aparentemente una eternidad para regresar a su sereno equilibrio.

El equipo de investigadores de Shapir, compuesto por Eldred Chimowits, profesor del Departamento de Ingeniería Química, y el graduando Subhranil De, implementaron un enfoque novelístico para atrapar el proceso de cambio de estado de la materia. Diseñaron un modelo computacional que consiste en dos depósitos separados de fluidos, ambos en equilibrio y cerca del umbral del punto crítico. Un depósito estaba poco más presurizado que el otro. Los depósitos fueron abiertos el uno al otro y la diferencia de presión causó la mezcla de los fluidos. El equipo dejó correr la simulación hasta que el sistema entero llegara al equilibrio termodinámico. Observando la tasa del retorno al equilibrio, el equipo pudo calcular el comportamiento en el punto crítico. Los resultados de sus simulaciones encajan predicciones y resultados experimentales, incluyendo mediciones muy precisas realizadas sobre la microgravedad en el Space Shuttle.

"En principio, es un cálculo difícil", dice Chimowitz. "Los sistemas de fluidos requieren una clase de modelos distintos a los utilizados por investigadores que estudian el comportamiento crítico dinámico. Estos modelos dan aumento de diferentes exponentes críticos dinámicos y los hemos encontrado, por primera vez, en sistemas de fluidos reales."

Los mejores ejemplos conocidos de cambio de estado de la materia son quizás los de agua a hielo y agua a vapor. Sin embargo, son muchos los tipos de cambio de materia que ocurren, como la separación de los componentes de una mezcla líquida.

Este sistema de simulación puede ser utilizado por la industria de diversas maneras, quizás especialmente para extraer más poder de una célula de combustible. Puesto que el aprovechamiento de las células de combustible depende del transporte de protones a través de una membrana que separa dos electrones, Shapir y Chimowitz creen que debe ser posible utilizar sus trabajos para encontrar la forma más eficiente de configurar estas células. Otras aplicaciones, como el remover cafeína del café, trabajan similarmente y también se pueden lograr beneficios.

Chimowitz también ha publicado un libro muy elogiado sobre el tema, denominado Introduction to Critical Phenomena in Fluids del Oxford University Press. Su obra ha sido nominada por la Association of American Publishers al galardón por Excelencia en Publicación Profesional y Escolar.

Esta investigación ha sido patrocinada por la National Science Foundation.