Estados de las soluciones, mezclas y estados inusuales de la materia

Entre los estados inusuales de la materia nos ocuparemos brevemente del estado coloidal, de los cristales líquidos, de los plasmas y de dos propiedades sorprendentes de la materia como son las superfluidez y la superconductividad. El estado coloidal se produce cuando el tamaño de las partículas en suspensión en las llamadas soluciones coloidales es intermedio entre los tamaños de las partículas que forman las disoluciones verdaderas y los de aquellas que constituyen las suspensiones groseras.

A este respecto Se acepta que las partículas cuyo tamaño es mayor de 0,2,u se encuentran en suspensión grosera, mientras que las que tienen tamaños inferiores a 1,u forman las soluciones verdaderas, si bien dichos límites se establecen de forma completamente arbitraria, lo que explica el hecho de que las soluciones coloidales tengan muchas propiedades que son comunes con las soluciones verdaderas y con las suspensiones groseras.

En las dispersiones coloidales la sustancia que se halla en proporción menor se llama fase dispersa o dispersoide, mientras que el medio en el que las partículas están dispersas recibe el nombre de medio de dispersión.

Las propiedades de las sustancias que se encuentran en estado coloidal son características de éste.

Entre ellas destaca el hecho de que son estables y no sedimentan, ya que la fuerza de la gravedad es por lo general excesivamente pequeña como para dar lugar a este efecto. Asimismo, presenta propiedades ópticas como el efecto Tyndall causado por la reflexión y refracción de la luz, es decir la dispersión de las ondas luminosas en las partículas coloidales, lo que las hace visibles como puntos brillantes sobre un fondo oscuro, al igual que sucede con las partículas de polvo

Cuando la luz incide sobre ellas. Asimismo, las partículas coloidales observadas al microscopio presentan un movimiento browniano debido a los choques de las moléculas del medio de dispersión con las partículas coloidales.

Finalmente, muestran propiedades eléctricas como carga, que se demuestra mediante el fenómeno de la electroforesis.

Cristales líquidos

Los cristales líquidos representan un estado intermedio entre sólido y liquido y en ellos los átomos y moléculas que los constituyen están distribuidos siguiendo un esquema similar al de un cristal sólido, si bien dicho esquema no es fijo y puede variarse mediante la aplicación de calor o sometiendo al cristal a la acción de un campo eléctrico.

Algunos de ellos modifican su color en función de la temperatura, motivo por el cual se emplean como sustancias termométricas; en cambio, en otros la aplicación de una determinada tensión eléctrica produce una variación del plano de polarización de la luz, siendo éstos los que se utilizan en las indicaciones de relojes de pulsera o calculadoras.

El estado de plasma

El estado de plasma suele denominarse a veces cuarto estado de la materia, ya que de hecho un plasma es un gas que se ha calentado hasta alcanzar temperaturas tan altas que sus átomos y moléculas pierden electrones convirtiéndose en iones. El gas que se encuentra en estado de plasma está completamente ionizado, por lo que es un conductor excelente de la corriente eléctrica. En la naturaleza, los gases en estado de plasma se encuentran en las estrellas, en las que permiten que se verifiquen los procesos de fusión  que constituyen la fuente que suministra la energía necesaria para que éstas brillen durante largos periodos de su evolución. La obtención de plasmas por medios artificiales tiene, por lo tanto, importancia en relación con el desarrollo de los reactores de fusión, que se consideran una alternativa a las actuales centrales nucleares (en las cuales la energía se obtiene mediante procesos de fisión nuclear).

Superfluidez

La superfluidez es un estado en el que la viscosidad tiene un valor cero o prácticamente cero.

Dicho estado se inicia para una temperatura muy definida y que, por ejemplo, en el caso del helio 4 (un isótopo del helio) es de 2 °K es decir, que está tan sólo dos grados por debajo de la temperatura de licuefacción.

Por debajo de dicha temperatura el fluido se comporta como si estuviese formado por dos componentes, uno de ellos un líquido normal y el otro un superfluido. Las proporciones de ambos varían con la temperatura. El superfluido, además de carecer de viscosidad tiene un valor infinito para la conductividad térmica. Si, por ejemplo, se coloca un fluido en un recipiente de barro sin esmaltar, este lo atraviesa escapando de él por las porosidades hasta que el recipiente queda completamente vacío.

Si bien no existe un modelo definitivo del fenómeno de la superfluidez, parece seguro que se trata de líquidos tan sumamente débiles que de hecho son muy parecidos a los gases. Pero mientras que sus densidades son bajas, sus viscosidades son parecidas a las del aire a temperatura ambiente.

Superconductividad

Por su parte, la superconductividad es semejante a la superfluidez, si bien en este caso lo que se anula es la resistencia eléctrica.

Esta propiedad, descubierta por Kamerlingh-Onnes para el mercurio a 4,2 °K, es decir; un poco por encima del cero absoluto, implica el desvanecimiento repentino de la resistencia. El fenómeno se inicia para cada metal a una temperatura determinada (como sucede en el caso de la superfluidez), que es característica de éste. La transición es extremadamente brusca, ya que se verifica para un margen de tan solo una milésima de grado. La explicación del fenómeno de la superconductividad se realiza mediante el modelo BCS (desarrollado por J. Bardeen, L. Cooper y J. R. Schrieffer en 1957).

Dado que la conductividad eléctrica de los metales depende esencialmente de los procesos de dispersión de electrones, es decir, la conductividad es tanto mayor cuanto menor es el número de dispersiones, en los superconductores las interacciones entre electrones libres y iones positivos producen una deformación de la estructura. Como consecuencia de ella aparece una fuerza de interacciones entre los electrones que forman pares a una temperatura baja determinada.

La aparición de estos, denominados pares de Cooper, que son capaces de moverse a través de la barrera metálica, tiene como consecuencia la desaparición de la resistencia.

En el caso de que la temperatura vuelva a aumentar dichos pares se separan, con lo que la resistencia vuelve a hacer su aparición. En la actualidad el estudio de la superconductividad es una de las disciplinas en las que se produce mayor actividad, siendo los resultados de gran importancia para la consecución de efectos de superconducción a temperaturas cercanas a la ambiente.

Publicado en Ciencias naturales y física