Estados De La Materia

¿Cuántos estados de la materia hay?

En 1994 comenzaba un programa de investigación de seis años de duración en un conjunto de aceleradores de partículas del CERN, en Ginebra. Consistía en siete experimentos en los que se iban a utilizar iones –átomos que han perdido parte de sus electrones– de plomo y de oro.Como bien han aprendido los físicos desde mediados del siglo XX, la mejor forma para explorar el interior de la materia es lanzar átomos y partículas subatómicas unos contra otros a altísimas velocidades. Si el material empleado en las colisiones está compuesto por elementos más pequeños, se romperá y se podrán ver los productos de deshecho. De igual modo, las tremendas energías liberadas permiten la aparición de otras partículas subatómicas que no existían antes del choque por obra y gracia de la ecuación más famosa de la física, E = mc2.

En este caso, una de las razones para llevar a cabo este conjunto de experimentos de colisiones de plomo contra plomo y plomo contra oro era recrear lo que sucedió en nuestro universo justo unas millonésimas de segundo después de la Gran Explosión, cuando tenía una temperatura 100.000 veces la del interior de nuestro Sol, esto es, del orden de cien mil millones de grados centígrados. Y lo que encontraron fue un nuevo estado de la materia, 20 veces más denso que el núcleo atómico: el plasma de gluón-quark.Quarks y gluones son los constituyentes fundamentales de la materia. No hemos sabido nada de ellos hasta la década de 1960 porque se encuentran confinados dentro de los protones y neutrones –la partículas que compone el núcleo atómico–. En esencia, un protón (o un neutrón) está compuesto por tres quarks que se mantienen unidos gracias a ese pegamento subatómico que son los gluones. Únicamente a esas impresionantes temperaturas se puede romper esa ligazón que los mantiene unidos y observarlos en libertad, formando una amalgama informe: el plasma gluón-quark.

Más de tres son multitud

Imaginemos que tenemos un cazo con hielo y lo ponemos al fuego. A medida que le comunicamos calor el hielo se va fundiendo pasando a agua líquida. Si seguimos calentando veremos cómo empieza a hervir, pasando a vapor de agua. Sólido, líquido y gaseoso: los tres estados de la materia que nos enseñaron en la escuela. Ahora bien, ¿qué ocurre si recogemos ese vapor en una olla y seguimos calentando? ¿Seguiremos teniendo vapor de agua? Ya sabemos que no: cuando lleguemos a unos cien mil millones de grados centígrados obtendremos el plasma gluón-quark. No obstante, en el trayecto nos encontraremos con un estado de agregación de la materia más. El cuarto.

Puede resultar sorprendente, pero si nos preguntaran cuál es el estado de la materia más abundante nuestra respuesta no sería ni el sólido, ni el líquido ni tan siquiera el gaseoso: es el plasma (y que no debemos confundir con el plasma gluón-quark). El 99% de la materia del universo observable se encuentra en este estado: el núcleo de las estrellas, los chorros de gas que desprenden ciertas galaxias, la parte de la atmósfera que recibe el nombre de ionosfera, las auroras polares, los rayos, la luces de neón, las llamas de una hoguera, las pantallas de ciertas televisiones… En esencia, lo que sucede es lo siguiente. A medida que subimos la temperatura de nuestra olla, las moléculas de agua empiezan a chocar con violencia entre sí, hasta que se rompen en sus átomos constituyentes, hidrógeno y oxígeno. Si seguimos calentando, las colisiones –esta vez entre átomos– se irán sucediendo cada vez con más violencia. Y será cuando alcancemos a unos 10.000ºC el momento en que la violencia de los impactos arrancarán los electrones de sus órbitas y nos quedará una sopa de núcleos atómicos y electrones libres; un plasma.

Por supuesto, la forma práctica de generar un plasma es otra. En un tubo fluorescente se consigue mediante descargas eléctricas, donde el plasma alcanza una temperatura de 20.000ºC. En los experimentos sobre fusión nuclear, con una serie de láseres de alta potencia se alcanzan el millón de grados.Ahora bien, no todo se termina aquí. ¿Quién no ha sabe lo que son los cristales líquidos? Si uno lo piensa bien, escuchar a alguien hablar de cristales líquidos resulta sorprendente. No es fácil unir ambas palabras si se tiene en cuenta lo que cada una de ellas significa. Sin embargo, y aunque su conocimiento sigue siendo en cierta manera limitado, los cristales líquidos los encontramos en los objetos más cotidianos: calculadoras, relojes, juegos electrónicos, ordenadores personales, televisores, salpicaderos de coches… Sin duda, en casi todos los hogares se dispone de varios equipos que tienen dispositivos de visualización, los conocidos displays, cuyos componentes activos son de cristal líquido. También podemos encontrarlos en los paneles de información en aeropuertos o estaciones, las ventanas que cambian de traslúcidas a opacas, en fotocopiadoras o en proyectores. Y lo más sorprendente, también se encuentran en sitios tan dispares como los cosméticos, los indicadores de temperatura o los tejidos resistentes al fuego o a los impactos, que deben sus propiedades a la característica que tienen algunos compuestos químicos de presentar este nuevo estado de agregación de la materia.

Sabemos que el paso de una sustancia de un estado a otro está regulado principalmente por la temperatura. El hielo se transforma en agua líquida a 0o, y ésta se transforma en vapor de agua, un gas, a 100o. Sin embargo, no todas las sustancias se comportan como el agua. En algunos casos la transición de sólido a líquido no es directa, sino que se verifica atravesando un estado intermedio entre ambas fases: es el estado de cristal líquido. El primero en observar un cristal líquido fue el botánico austriaco Friedrich Reinitzer en 1888, cuando vio que el benzoato de colesterilo (una sustancia sólida derivada del colesterol) formaba un líquido turbio cuando lo calentaba hasta su temperatura de fusión. Al seguir calentando, la turbidez persistía hasta que a cierta temperatura el líquido se volvía transparente. Poco tiempo después se descubrieron otras sustancias que presentaban el mismo comportamiento y pronto se demostró que ese nuevo estado de la materia poseía propiedades intermedias entre las de los sólidos y las de los líquidos. Y en esto precisamente radica su interés: reúne ciertas características de los sólidos cristalinos junto con ciertas propiedades de los líquidos. Por este motivo, en 1889 el físico alemán Otto Lehmann los llamó “cristal líquido” o “líquido cristalino”.

Algo más que sólido

En 1995, mientras un equipo internacional de físicos alcanzaba en un acelerador las temperaturas mas altas jamás obtenidas, un grupo del Joint Institute for Laboratory

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