Si pudiera existir vida inteligente basada en el estado sólido o gaseoso, y tuvieran un sistema académico parecido al nuestro, a alguien que propusiera que existe un estado líquido lo tildarían de loco... o ganaría un premio parecido al Nobel. En cualquier caso, si en ese planeta imaginario viesen un líquido está claro que lo calificarían como material "exótico", y de hecho lo es incluso en nuestro mundo. 

Los líquidos aún dan guerra a los investigadores. Nosotros de momento vamos librando batallas para entenderlos... [José Manuel Suárez / Wikimedia Commons]

Un gas está formado por partículas, que pueden ser átomos o moléculas, cuya posición y orientación está regida por las leyes del azar. Por ejemplo, la probabilidad de que dos partículas estén a una cierta distancia es sumamente aburrida: es constante (véase la segunda figura)... excepto para distancias menores que el radio de la partícula, para las que es nula. El movimiento es básicamente rectilíneo con algún que otro choque con otra partícula, que poco afecta a las propiedades del gas. En el otro extremo tenemos un sólido cristalino. Si lo miramos desde una partícula cualquiera veremos que todo el resto de partículas están fijadas tanto en posición como en orientación. El movimiento de las partículas es básicamente una cierta agitación, pero no lo suficientemente grande como para que la posición u orientación de las partículas cambie excesivamente. Por último, si calculamos la probabilidad de encontrar dos partículas a una cierta distancia veríamos únicamente picos. Éstos corresponderían a los lugares donde encontramos a una partícula vecina, en el resto tendríamos una probabilidad nula. Y punto. No hay razón para imaginarse cosas raras entre estos dos estados... pero la naturaleza va por su cuenta.

Probabilidad de encontrar dos partículas a una cierta distancia en un sólido, un líquido y un gasLa descripción teórica de los gases y de los sólidos cristalinos está asentada desde hace bastante tiempo y parece ser que funciona correctamente. Cuando decimos "la descripción teórica" básicamente nos referimos a dos cosas: dónde están y cómo se mueven las partículas en estos estados de la materia. Una vez sabemos esto, es posible calcular propiedades macroscópicas de estas fases, como por ejemplo, el calor específico. Los líquidos son otro cantar: básicamente no parece existir un marco teórico sólido y universal que describa todos los líquidos a cualquier temperatura. Teorías hay, si, y unas cuantas, pero o bien describen sólo algunos fenómenos sobre los líquidos, o bien son, sencillamente, contradictorias. Como hay que empezar por algún sitio con este estado de la materia, empecemos con su estructura.

Como hemos visto, la probabilidad de encontrar dos partículas de gas a una cierta distancia es, básicamente, constante en un gas, y "picuda" en un cristal. Como el lector ya habrá adivinado en el líquido ni es constante ni es muy picuda. Podemos ver un ejemplo esquemático en la segunda figura. En primer lugar vemos que si dos partículas de un líquido están muy alejadas, básicamente no hay ninguna distancia a la que prefieran estar. En otras palabras están desordenadas como un gas. Por esta razón cuando nos referimos a "estructura de un líquido" hay que añadir la coletilla "a distancias cortas" puesto que a distancias grandes tenemos partículas básicamente dispuestas al azar. En un rango intermedio de distancias, el líquido posee una cierta estructura. De hecho según los experimentos de difracción que hemos llevado a cabo en nuestro laboratorio, y que están de acuerdo con los de otros grupos, parece ser que a cortas distancias el líquido tiende a copiar, con más o menos acierto, la estructura del sólido. Evidentemente estas pequeñas diferencias entre las estructuras de uno y otro son cruciales, puesto que las propiedades de ambos son muy diferentes. Parece ser que estas "pequeñas" diferencias residen, precisamente, en cómo empaquetar sólidos en el espacio. Dicho de una forma sencilla, y sin entrar en detalles (de momento): 

  • Si queremos el mejor empaquetamiento a nivel local (alrededor de una partícula cualquiera) tendremos un líquido.
  • Si lo que queremos es el mejor empaquetamiento a nivel global (en todo el material) lo que tendremos será un sólido.

Hay que escoger: apilamos naranjas pensando en la caja que las contiene, o las apilamos pensando en una naranja y sus alrededores.

El problema de sólidos y líquidos está intimamente relacionado, de hecho, con la forma de apilar objetos sólidos como naranjas: o lo hacemos para que nos quepan en una caja grande, o empezamos a apilarlas dejando el mínimo número de huecos alrededor de una naranja. El problema viene de lejos, y para el primer caso Kepler pensó en una solución, pero no la demostró. Para aprender más de esta historia consultad el Blog Mathedonia.

Hasta aquí hemos explicado "dónde están" las partículas en un líquido. Ahora tenemos que atacar un tema aún más complejo: ¿cómo se mueven? Pero esto es otra historia que explicaremos en otro momento, en concreto, en la próxima entrada de este blog.

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Luis Carlos Pardo
Luis Carlos Pardo

Investigador del Grupo de Caracterización de Materiales y profesor del grado en Ingeniería Física del ETSETB y de la escuela de ingeniería EEBE. Escritor de divulgación científica y participante en varios certámenes dedicados a acercar la ciencia al gran público. También es tutor de numerosos proyectos de investigación con estudiantes: la siguiente generación de científicos.

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Sobre este blog

La vida escogió el desorden de los líquidos para empezar. En este blog hablaremos de sistemas desordenados y de cómo los científicos intentan poner orden a sus ideas.

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