En física , un estado de la materia es una de las distintas formas en las que la materia puede existir. En la vida cotidiana se pueden observar cuatro estados de la materia: sólido , líquido , gas y plasma . Se sabe que existen muchos estados intermedios, como el cristal líquido , y algunos estados solo existen en condiciones extremas, como los condensados de Bose-Einstein y los condensados fermiónicos (en condiciones de frío extremo), la materia degenerada por neutrones (en densidad extrema) y el plasma de quarks y gluones (a energías extremadamente altas ).
Históricamente, la distinción se basa en diferencias cualitativas en las propiedades. La materia en estado sólido mantiene un volumen fijo (suponiendo que no haya cambios en la temperatura o la presión del aire) y una forma, con partículas componentes ( átomos , moléculas o iones ) cercanas entre sí y fijas en su lugar. La materia en estado líquido mantiene un volumen fijo (suponiendo que no haya cambios en la temperatura o la presión del aire), pero tiene una forma variable que se adapta para encajar en su recipiente. Sus partículas siguen estando juntas pero se mueven libremente. La materia en estado gaseoso tiene volumen y forma variables, adaptándose ambos para encajar en su recipiente. Sus partículas no están juntas ni fijas en su lugar. La materia en estado de plasma tiene volumen y forma variables, y contiene átomos neutros, así como una cantidad significativa de iones y electrones , los cuales pueden moverse libremente.
El término fase se utiliza a veces como sinónimo de estado de la materia, pero es posible que un mismo compuesto forme distintas fases que se encuentren en el mismo estado de la materia. Por ejemplo, el hielo es el estado sólido del agua, pero existen múltiples fases de hielo con distintas estructuras cristalinas , que se forman a distintas presiones y temperaturas.
En un sólido, las partículas que lo constituyen (iones, átomos o moléculas) están muy juntas. Las fuerzas entre las partículas son tan fuertes que estas no pueden moverse libremente, sino que solo pueden vibrar. Como resultado, un sólido tiene una forma estable y definida, y un volumen definido. Los sólidos solo pueden cambiar su forma por una fuerza externa, como cuando se rompen o se cortan.
En los sólidos cristalinos , las partículas (átomos, moléculas o iones) están empaquetadas en un patrón ordenado y repetido de manera regular. Existen varias estructuras cristalinas diferentes y la misma sustancia puede tener más de una estructura (o fase sólida). Por ejemplo, el hierro tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperaturas inferiores a 912 °C (1674 °F) y una estructura cúbica centrada en las caras entre 912 y 1394 °C (2541 °F). El hielo tiene quince estructuras cristalinas conocidas, o quince fases sólidas, que existen a diversas temperaturas y presiones. [1]
Los vidrios y otros sólidos amorfos no cristalinos sin orden de largo alcance no son estados fundamentales de equilibrio térmico ; por lo tanto, se describen a continuación como estados no clásicos de la materia.
Los sólidos se pueden transformar en líquidos por fusión y los líquidos se pueden transformar en sólidos por congelación. Los sólidos también pueden transformarse directamente en gases a través del proceso de sublimación y los gases también pueden transformarse directamente en sólidos a través de la deposición .
Un líquido es un fluido casi incompresible que se adapta a la forma de su recipiente pero conserva un volumen (casi) constante independientemente de la presión. El volumen es definido si la temperatura y la presión son constantes. Cuando un sólido se calienta por encima de su punto de fusión , se vuelve líquido, dado que la presión es mayor que el punto triple de la sustancia. Las fuerzas intermoleculares (o interatómicas o interiónicas) siguen siendo importantes, pero las moléculas tienen suficiente energía para moverse unas respecto de otras y la estructura es móvil. Esto significa que la forma de un líquido no es definida sino que está determinada por su recipiente. El volumen suele ser mayor que el del sólido correspondiente, siendo la excepción más conocida el agua , H 2 O. La temperatura más alta a la que puede existir un líquido dado es su temperatura crítica . [2]
Un gas es un fluido compresible. Un gas no solo se adapta a la forma del recipiente que lo contiene, sino que también se expande para llenarlo.
En un gas, las moléculas tienen suficiente energía cinética para que el efecto de las fuerzas intermoleculares sea pequeño (o cero para un gas ideal ), y la distancia típica entre moléculas vecinas sea mucho mayor que el tamaño molecular. Un gas no tiene forma ni volumen definidos, sino que ocupa todo el recipiente en el que está confinado. Un líquido puede convertirse en gas calentándolo a presión constante hasta el punto de ebullición o reduciendo la presión a temperatura constante.
A temperaturas inferiores a su temperatura crítica , un gas también se denomina vapor y puede licuarse solo por compresión sin enfriamiento. Un vapor puede existir en equilibrio con un líquido (o sólido), en cuyo caso la presión del gas es igual a la presión de vapor del líquido (o sólido).
Un fluido supercrítico (SCF) es un gas cuya temperatura y presión son superiores a la temperatura crítica y la presión crítica respectivamente. En este estado, la distinción entre líquido y gas desaparece. Un fluido supercrítico tiene las propiedades físicas de un gas, pero su alta densidad le confiere propiedades de disolvente en algunos casos, lo que da lugar a aplicaciones útiles. Por ejemplo, el dióxido de carbono supercrítico se utiliza para extraer cafeína en la fabricación de café descafeinado . [3]
Un gas se convierte en plasma de dos formas: mediante una enorme diferencia de voltaje entre dos puntos o exponiéndolo a temperaturas extremadamente altas. Al calentar la materia a altas temperaturas, los electrones abandonan los átomos, lo que da lugar a la presencia de electrones libres. Esto crea un plasma llamado parcialmente ionizado. A temperaturas muy altas, como las presentes en las estrellas, se supone que esencialmente todos los electrones están "libres" y que un plasma de muy alta energía es básicamente núcleos desnudos nadando en un mar de electrones. Esto forma el llamado plasma completamente ionizado.
El estado de plasma es a menudo malinterpretado, y aunque no existe libremente en condiciones normales en la Tierra, es bastante común que se genere mediante relámpagos , chispas eléctricas , luces fluorescentes , luces de neón o en televisores de plasma . La corona del Sol , algunos tipos de llamas y las estrellas son ejemplos de materia iluminada en estado de plasma. El plasma es, con mucho, el más abundante de los cuatro estados fundamentales, ya que el 99% de toda la materia ordinaria en el universo es plasma, ya que compone todas las estrellas . [4] [5] [6]
Un estado de la materia también se caracteriza por transiciones de fase . Una transición de fase indica un cambio en la estructura y puede reconocerse por un cambio abrupto en las propiedades. Un estado distinto de la materia puede definirse como cualquier conjunto de estados que se distingue de cualquier otro conjunto de estados por una transición de fase . Se puede decir que el agua tiene varios estados sólidos distintos. [7] La aparición de superconductividad está asociada a una transición de fase, por lo que existen estados superconductores . Del mismo modo, los estados ferromagnéticos están demarcados por transiciones de fase y tienen propiedades distintivas. Cuando el cambio de estado ocurre en etapas, los pasos intermedios se denominan mesofases . Dichas fases han sido explotadas mediante la introducción de la tecnología de cristal líquido . [8] [9]
El estado o fase de un conjunto dado de materia puede cambiar dependiendo de las condiciones de presión y temperatura , pasando a otras fases a medida que estas condiciones cambian para favorecer su existencia; por ejemplo, el sólido pasa a líquido con un aumento de temperatura. Cerca del cero absoluto , una sustancia existe como sólido . A medida que se le agrega calor a esta sustancia, se funde en un líquido en su punto de fusión , hierve en un gas en su punto de ebullición y, si se calienta lo suficiente, entraría en un estado de plasma en el que los electrones están tan energizados que abandonan sus átomos originales.
Las formas de materia que no están compuestas de moléculas y que están organizadas por diferentes fuerzas también pueden considerarse diferentes estados de la materia. Los superfluidos (como el condensado fermiónico ) y el plasma de quarks y gluones son ejemplos.
En una ecuación química, el estado de la materia de los productos químicos se puede expresar como (s) para un sólido, (l) para un líquido y (g) para un gas. Una solución acuosa se denota (aq), por ejemplo,
La materia en estado de plasma rara vez se utiliza (si es que se utiliza) en ecuaciones químicas, por lo que no existe un símbolo estándar para denotarla. En las pocas ecuaciones en las que se utiliza plasma, se simboliza como (p).
El vidrio es un material sólido amorfo o no cristalino que presenta una transición vítrea cuando se calienta hacia el estado líquido. Los vidrios pueden estar hechos de clases de materiales muy diferentes: redes inorgánicas (como el vidrio de las ventanas, hecho de silicato más aditivos), aleaciones metálicas, fundidos iónicos , soluciones acuosas , líquidos moleculares y polímeros . Termodinámicamente, un vidrio se encuentra en un estado metaestable con respecto a su contraparte cristalina. Sin embargo, la tasa de conversión es prácticamente cero.
Un cristal plástico es un sólido molecular con un orden posicional de largo alcance pero con moléculas constituyentes que conservan la libertad rotacional; en un vidrio orientacional este grado de libertad está congelado en un estado desordenado extinguido .
De manera similar, en un vidrio espín el desorden magnético se congela.
Los estados de cristal líquido tienen propiedades intermedias entre los líquidos móviles y los sólidos ordenados. Generalmente, pueden fluir como un líquido, pero exhibiendo un orden de largo alcance. Por ejemplo, la fase nemática consiste en moléculas largas con forma de varilla como el para-azoxianisol , que es nemático en el rango de temperatura de 118 a 136 °C (244 a 277 °F). [10] En este estado, las moléculas fluyen como en un líquido, pero todas apuntan en la misma dirección (dentro de cada dominio) y no pueden rotar libremente. Como un sólido cristalino, pero a diferencia de un líquido, los cristales líquidos reaccionan a la luz polarizada.
En el artículo principal sobre estos estados se describen otros tipos de cristales líquidos. Varios tipos tienen importancia tecnológica, por ejemplo, en las pantallas de cristal líquido .
Los copolímeros pueden sufrir una separación de microfases para formar una variedad de nanoestructuras periódicas, como se muestra en el ejemplo del copolímero en bloque de estireno-butadieno-estireno que se muestra a la derecha. La separación de microfases se puede entender por analogía con la separación de fases entre el aceite y el agua. Debido a la incompatibilidad química entre los bloques, los copolímeros en bloque sufren una separación de fases similar. Sin embargo, debido a que los bloques están unidos covalentemente entre sí, no pueden desmezclarse macroscópicamente como lo hacen el agua y el aceite, y por lo tanto, los bloques forman estructuras de tamaño nanométrico . Dependiendo de las longitudes relativas de cada bloque y de la topología general de bloques del polímero, se pueden obtener muchas morfologías, cada una de las cuales es su propia fase de materia.
Los líquidos iónicos también presentan separación de microfases. El anión y el catión no son necesariamente compatibles y se separarían de otro modo, pero la atracción de carga eléctrica impide que se separen. Sus aniones y cationes parecen difundirse dentro de capas compartimentadas o micelas en lugar de hacerlo libremente como en un líquido uniforme. [11]
Los átomos de metales de transición suelen tener momentos magnéticos debido al giro neto de los electrones que permanecen desapareados y no forman enlaces químicos. En algunos sólidos, los momentos magnéticos de los diferentes átomos están ordenados y pueden formar un ferroimán, un antiferroimán o un ferriimán.
En un ferroimán —por ejemplo, el hierro sólido— el momento magnético de cada átomo está alineado en la misma dirección (dentro de un dominio magnético ). Si los dominios también están alineados, el sólido es un imán permanente , que es magnético incluso en ausencia de un campo magnético externo . La magnetización desaparece cuando el imán se calienta hasta el punto de Curie , que para el hierro es de 768 °C (1414 °F).
Un antiferromagnético tiene dos redes de momentos magnéticos iguales y opuestos, que se cancelan entre sí, de modo que la magnetización neta es cero. Por ejemplo, en el óxido de níquel (II) (NiO), la mitad de los átomos de níquel tienen momentos alineados en una dirección y la otra mitad en la dirección opuesta.
En un ferrimagneto , las dos redes de momentos magnéticos son opuestas pero desiguales, por lo que la cancelación es incompleta y hay una magnetización neta distinta de cero. Un ejemplo es la magnetita (Fe 3 O 4 ), que contiene iones Fe 2+ y Fe 3+ con diferentes momentos magnéticos.
Un líquido de espín cuántico (QSL) es un estado desordenado en un sistema de espines cuánticos en interacción que conserva su desorden a temperaturas muy bajas, a diferencia de otros estados desordenados. No es un líquido en sentido físico, sino un sólido cuyo orden magnético está inherentemente desordenado. El nombre "líquido" se debe a una analogía con el desorden molecular en un líquido convencional. Un QSL no es un ferroimán , donde los dominios magnéticos son paralelos, ni un antiferroimán , donde los dominios magnéticos son antiparalelos; en cambio, los dominios magnéticos están orientados aleatoriamente. Esto se puede lograr, por ejemplo, mediante momentos magnéticos geométricamente frustrados que no pueden apuntar uniformemente paralelos o antiparalelos. Al enfriarse y asentarse en un estado, el dominio debe "elegir" una orientación, pero si los estados posibles son similares en energía, se elegirá uno aleatoriamente. En consecuencia, a pesar del fuerte orden de corto alcance, no hay un orden magnético de largo alcance.
Los superconductores son materiales que tienen una resistividad eléctrica cero y, por lo tanto, una conductividad perfecta. Se trata de un estado físico específico que existe a baja temperatura y la resistividad aumenta de manera discontinua hasta un valor finito a una temperatura de transición claramente definida para cada superconductor. [12]
Un superconductor también excluye todos los campos magnéticos de su interior, un fenómeno conocido como efecto Meissner o diamagnetismo perfecto . [12] Los imanes superconductores se utilizan como electroimanes en máquinas de imágenes por resonancia magnética .
El fenómeno de la superconductividad fue descubierto en 1911, y durante 75 años sólo se conocía en algunos metales y aleaciones metálicas a temperaturas inferiores a 30 K. En 1986 se descubrió la llamada superconductividad de alta temperatura en ciertos óxidos cerámicos , y ahora se ha observado en temperaturas tan altas como 164 K. [13]
Cerca del cero absoluto, algunos líquidos forman un segundo estado líquido descrito como superfluido porque tiene viscosidad cero (o fluidez infinita; es decir, fluye sin fricción). Esto fue descubierto en 1937 para el helio , que forma un superfluido por debajo de la temperatura lambda de 2,17 K (−270,98 °C; −455,76 °F). En este estado intentará "salir" de su contenedor. [14] También tiene conductividad térmica infinita , por lo que no se puede formar ningún gradiente de temperatura en un superfluido. Colocar un superfluido en un contenedor giratorio dará como resultado vórtices cuantificados .
Estas propiedades se explican por la teoría de que el isótopo común helio-4 forma un condensado de Bose-Einstein (véase la siguiente sección) en el estado superfluido. Más recientemente, se han formado superfluidos de condensado fermiónico a temperaturas aún más bajas por el isótopo raro helio-3 y por el litio-6 . [15]
En 1924, Albert Einstein y Satyendra Nath Bose predijeron el "condensado de Bose-Einstein" (BEC), a veces denominado el quinto estado de la materia. En un BEC, la materia deja de comportarse como partículas independientes y colapsa en un único estado cuántico que puede describirse con una única función de onda uniforme.
En fase gaseosa, el condensado de Bose-Einstein permaneció como una predicción teórica sin verificar durante muchos años. En 1995, los grupos de investigación de Eric Cornell y Carl Wieman , del JILA en la Universidad de Colorado en Boulder , produjeron el primer condensado de este tipo de manera experimental. Un condensado de Bose-Einstein es "más frío" que un sólido. Puede producirse cuando los átomos tienen niveles cuánticos muy similares (o iguales) , a temperaturas muy cercanas al cero absoluto , −273,15 °C (−459,67 °F).
Un condensado fermiónico es similar al condensado de Bose-Einstein, pero está compuesto de fermiones . El principio de exclusión de Pauli impide que los fermiones entren en el mismo estado cuántico, pero un par de fermiones puede comportarse como un bosón, y varios pares de estos pueden entrar en el mismo estado cuántico sin restricciones.
Bajo una presión extremadamente alta, como en los núcleos de las estrellas muertas, la materia ordinaria experimenta una transición a una serie de estados exóticos de la materia conocidos colectivamente como materia degenerada , que se sustentan principalmente en efectos mecánicos cuánticos. En física, "degenerado" se refiere a dos estados que tienen la misma energía y, por lo tanto, son intercambiables. La materia degenerada se sustenta en el principio de exclusión de Pauli , que impide que dos partículas fermiónicas ocupen el mismo estado cuántico. A diferencia del plasma regular, el plasma degenerado se expande poco cuando se calienta, porque simplemente no quedan estados de momento. En consecuencia, las estrellas degeneradas colapsan en densidades muy altas. Las estrellas degeneradas más masivas son más pequeñas, porque la fuerza gravitacional aumenta, pero la presión no aumenta proporcionalmente.
La materia degenerada por electrones se encuentra dentro de las estrellas enanas blancas . Los electrones permanecen unidos a los átomos, pero pueden transferirse a átomos adyacentes. La materia degenerada por neutrones se encuentra en las estrellas de neutrones . La enorme presión gravitacional comprime los átomos con tanta fuerza que los electrones se ven obligados a combinarse con los protones a través de la desintegración beta inversa, lo que da como resultado una conglomeración superdensa de neutrones. Normalmente, los neutrones libres fuera de un núcleo atómico se desintegrarán con una vida media de aproximadamente 10 minutos, pero en una estrella de neutrones, la desintegración es superada por la desintegración inversa. La materia degenerada fría también está presente en planetas como Júpiter y en las enanas marrones aún más masivas , que se espera que tengan un núcleo con hidrógeno metálico . Debido a la degeneración, las enanas marrones más masivas no son significativamente más grandes. En los metales, los electrones pueden modelarse como un gas degenerado que se mueve en una red de iones positivos no degenerados.
En la materia fría normal, los quarks , partículas fundamentales de la materia nuclear, están confinados por la fuerza fuerte en hadrones que constan de 2 a 4 quarks, como protones y neutrones. La materia de quarks o materia cromodinámica cuántica (QCD) es un grupo de fases en las que se supera la fuerza fuerte y los quarks quedan desconfinados y son libres de moverse. Las fases de materia de quarks se producen a densidades o temperaturas extremadamente altas, y no se conocen formas de producirlas en equilibrio en el laboratorio; en condiciones ordinarias, cualquier materia de quarks formada sufre inmediatamente una desintegración radiactiva.
La materia extraña es un tipo de materia de quarks que se sospecha que existe dentro de algunas estrellas de neutrones cerca del límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (aproximadamente 2-3 masas solares ), aunque no hay evidencia directa de su existencia. En la materia extraña, parte de la energía disponible se manifiesta como quarks extraños , un análogo más pesado del quark down común . Puede ser estable en estados de energía más bajos una vez formado, aunque esto no se sabe.
El plasma de quarks y gluones es una fase de muy alta temperatura en la que los quarks se liberan y pueden moverse de forma independiente, en lugar de estar perpetuamente unidos en partículas, en un mar de gluones , partículas subatómicas que transmiten la fuerza fuerte que une a los quarks. Esto es análogo a la liberación de electrones de los átomos en un plasma. Este estado se puede alcanzar brevemente en colisiones de iones pesados de energía extremadamente alta en aceleradores de partículas , y permite a los científicos observar las propiedades de los quarks individuales. Las teorías que predicen la existencia del plasma de quarks y gluones se desarrollaron a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, [16] y se detectó por primera vez en el laboratorio del CERN en el año 2000. [17] [18] A diferencia del plasma, que fluye como un gas, las interacciones dentro del QGP son fuertes y fluye como un líquido.
Se cree que, a altas densidades pero a temperaturas relativamente bajas, los quarks forman un líquido de quarks cuya naturaleza se desconoce en la actualidad. A densidades aún más altas, forma una fase de color-sabor bloqueado (CFL, por sus siglas en inglés). Esta fase es superconductora para la carga de color. Estas fases pueden darse en estrellas de neutrones, pero por el momento son teóricas.
El condensado de vidrio coloreado es un tipo de materia que se cree que existe en los núcleos atómicos que viajan a una velocidad cercana a la de la luz. Según la teoría de la relatividad de Einstein, un núcleo de alta energía parece contraído o comprimido en longitud a lo largo de su dirección de movimiento. Como resultado, los gluones dentro del núcleo aparecen ante un observador estacionario como una "pared gluónica" que viaja a una velocidad cercana a la de la luz. A energías muy altas, se observa que la densidad de los gluones en esta pared aumenta considerablemente. A diferencia del plasma de quarks y gluones que se produce en la colisión de dichas paredes, el condensado de vidrio coloreado describe las paredes mismas y es una propiedad intrínseca de las partículas que solo se puede observar en condiciones de alta energía, como las del RHIC y posiblemente también en el Gran Colisionador de Hadrones.
Varias teorías predicen nuevos estados de la materia a energías muy altas. Un estado desconocido ha creado la asimetría bariónica en el universo, pero se sabe poco sobre él. En la teoría de cuerdas , se predice una temperatura de Hagedorn para las supercuerdas de aproximadamente 10 30 K, donde las supercuerdas se producen copiosamente. A la temperatura de Planck (10 32 K), la gravedad se convierte en una fuerza significativa entre partículas individuales. Ninguna teoría actual puede describir estos estados y no pueden producirse con ningún experimento previsible. Sin embargo, estos estados son importantes en cosmología porque el universo puede haber pasado por ellos en el Big Bang .
Un supersólido es un material ordenado espacialmente (es decir, un sólido o cristal) con propiedades superfluidas. De manera similar a un superfluido, un supersólido puede moverse sin fricción pero conserva una forma rígida. Aunque un supersólido es un sólido, exhibe tantas propiedades características diferentes de otros sólidos que muchos sostienen que es otro estado de la materia. [19]
En un líquido con una red de cuerdas, los átomos tienen una disposición aparentemente inestable, como en un líquido, pero aun así tienen un patrón general consistente, como en un sólido. Cuando están en un estado sólido normal, los átomos de la materia se alinean en un patrón de cuadrícula, de modo que el espín de cualquier electrón es opuesto al espín de todos los electrones que lo tocan. Pero en un líquido con una red de cuerdas, los átomos están dispuestos en un patrón que requiere que algunos electrones tengan vecinos con el mismo espín. Esto da lugar a propiedades curiosas, además de respaldar algunas propuestas inusuales sobre las condiciones fundamentales del propio universo.
Un supervidrio es una fase de la materia caracterizada, al mismo tiempo, por la superfluidez y una estructura amorfa congelada.
Los metales, como el potasio, en estado de fusión de cadenas parecen estar en estado líquido y sólido al mismo tiempo. Esto es resultado de estar sujetos a altas temperaturas y presiones, lo que hace que las cadenas del potasio se disuelvan en líquido mientras que los cristales permanecen sólidos. [20]
Un estado Hall cuántico da lugar a un voltaje Hall cuantizado medido en la dirección perpendicular al flujo de corriente. Un estado Hall de espín cuántico es una fase teórica que puede allanar el camino para el desarrollo de dispositivos electrónicos que disipen menos energía y generen menos calor. Esta es una derivación del estado Hall cuántico de la materia.
La materia fotónica es un fenómeno en el que los fotones que interactúan con un gas desarrollan una masa aparente y pueden interactuar entre sí, incluso formando "moléculas" fotónicas. La fuente de masa es el gas, que es masivo. Esto contrasta con los fotones que se mueven en el espacio vacío, que no tienen masa en reposo y no pueden interactuar.
