El oro sobrevive a 14 veces su temperatura de fusión

Por primera vez, investigadores han medido las temperaturas atómicas en materia extrema revelando que el oro sobrevive a 19.000 grados Kelvin (18.726 Celsius), más de 14 veces su punto de fusión.

Es notoriamente difícil medir la temperatura de objetos realmente calientes. Ya sea el plasma turbulento de nuestro Sol, las condiciones extremas en el núcleo de los planetas o las fuerzas de aplastamiento que actúan dentro de un reactor de fusión, lo que los científicos llaman "materia densa y cálida" puede alcanzar cientos de miles de grados Kelvin.

Conocer con precisión la temperatura de estos materiales es crucial para que los investigadores comprendan completamente estos sistemas complejos, pero realizar estas mediciones ha sido, hasta ahora, prácticamente imposible.

"Contamos con buenas técnicas para medir la densidad y la presión de estos sistemas, pero no la temperatura", afirmó en un comunicado Bob Nagler, científico del SLAC National Accelerator Laboratory de EEUU. "En estos estudios, las temperaturas siempre son estimaciones con amplios márgenes de error, lo que realmente refuerza nuestros modelos teóricos. Ha sido un problema de décadas".

Ahora, por primera vez, un equipo de investigadores informa en la revista Nature que ha medido directamente la temperatura de los átomos en materia densa y cálida. Mientras que otros métodos se basan en modelos complejos y difíciles de validar, este nuevo método mide directamente la velocidad de los átomos y, por lo tanto, la temperatura del sistema. En un debut experimental, el equipo sobrecalentó oro sólido mucho más allá del límite teórico, revolucionando inesperadamente cuatro décadas de teoría establecida, según los autores.

Durante casi una década, este equipo ha trabajado para desarrollar un método que evite los desafíos habituales de la medición de temperaturas extremas, en concreto, la breve duración de las condiciones que generan esas temperaturas en el laboratorio y la dificultad de calibrar cómo estos sistemas complejos afectan a otros materiales. "Finalmente, hemos realizado una medición directa e inequívoca, demostrando un método aplicable en todo el campo", afirmó White.

En el instrumento MEC del SLAC, el equipo utilizó un láser para sobrecalentar una muestra de oro. Al atravesar el calor la muestra, de espesor nanométrico, sus átomos comenzaron a vibrar a una velocidad directamente relacionada con el aumento de su temperatura. Posteriormente, el equipo envió un pulso de rayos X ultrabrillantes desde la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) a través de la muestra sobrecalentada. Al dispersarse por los átomos vibrantes, la frecuencia de los rayos X se desplazó ligeramente, revelando la velocidad de los átomos y, por lo tanto, su temperatura.

REFUTA TEORÍA DE 1980

"Nos sorprendió encontrar una temperatura mucho más alta en estos sólidos sobrecalentados de lo que esperábamos inicialmente, lo que refuta una teoría arraigada de la década de 1980", afirmó White. "Este no era nuestro objetivo original, pero de eso se trata la ciencia: de descubrir cosas nuevas que desconocíamos".

Cada material tiene puntos de fusión y ebullición específicos, que marcan la transición de sólido a líquido y de líquido a gas, respectivamente. Sin embargo, hay excepciones. Por ejemplo, cuando el agua se calienta rápidamente en recipientes muy lisos, como un vaso de agua en un microondas, puede sobrecalentarse, alcanzando temperaturas superiores a los 100 grados Celsius sin llegar a hervir. Esto ocurre porque no hay superficies rugosas ni impurezas que provoquen la formación de burbujas.

Pero este truco de la naturaleza conlleva un mayor riesgo: cuanto más se aleja un sistema de sus puntos de fusión y ebullición normales, más vulnerable es a lo que los científicos llaman catástrofe: un inicio repentino de fusión o ebullición provocado por un ligero cambio ambiental. Por ejemplo, el agua sobrecalentada en un microondas hervirá de forma explosiva al ser alterada, lo que podría causar quemaduras graves.

Si bien algunos experimentos han demostrado que es posible superar estos límites intermedios calentando rápidamente los materiales, "la catástrofe de la entropía todavía se consideraba el límite definitivo", explicó White.

En su reciente estudio, el equipo descubrió que el oro había sido sobrecalentado hasta unos asombrosos 19.000 kelvin (18.726 grados Celsius), más de 14 veces su punto de fusión y mucho más allá del límite de catástrofe de entropía propuesto, todo ello manteniendo su sólida estructura cristalina.

Los investigadores creen que el calentamiento rápido impidió que el oro se expandiera, lo que le permitió conservar su estado sólido. Los hallazgos sugieren que podría no haber un límite superior para los materiales sobrecalentados si se calientan con la suficiente rapidez.