Confirmada la existencia de un metal s¨®lido y l¨ªquido a la vez

¡°Si pudiese sujetarlo en la mano, ser¨ªa un pedazo s¨®lido que escurre una parte l¨ªquida del mismo material¡±, dice Andreas Hermann, f¨ªsico de materia condensada en la Universidad de Edimburgo (Escocia). Lo que Hermann describe es un estado ex¨®tico de la materia cuya existencia era solo una hip¨®tesis hasta ahora. Utilizando un programa de inteligencia artificial, ¨¦l y otros investigadores de Reino Unido y de China acaban de confirmarlo: hay una fase estable de los metales que combina ¨¢tomos en configuraci¨®n s¨®lida y otros en estado l¨ªquido a la vez.

La sorprendente estructura se forma al aplicar enormes presiones y alta temperatura a un bloque de potasio puro, aunque los cient¨ªficos sospechan que al menos otros seis elementos qu¨ªmicos ¡ªm¨¢s metales como el sodio y el bismuto¡ª podr¨¢n existir en este estado.

La experiencia cotidiana dicta que un material solo puede ser s¨®lido y l¨ªquido cuando est¨¢ en cambio de fase, por ejemplo un cubito de hielo que se derrite. Sin embargo, el nuevo estado, que se llama el chain-melted state (¡°fusi¨®n en cadenas¡±), existe en un amplio rango de condiciones; no est¨¢ en proceso de fusi¨®n ni de solidificaci¨®n.

Lo podr¨ªas poner en un colador y atravesar¨ªa los poros en su forma l¨ªquida

¡°El material es estable. Lo podr¨ªas poner en un colador y atravesar¨ªa los poros en su forma l¨ªquida, pero luego ser¨ªa capaz de reconstituir una parte s¨®lida al otro lado¡±, explica Hermann. Aunque es dif¨ªcil imaginar aplicaciones tecnol¨®gicas para una estructura que solo aparece con mucho calor y alta presi¨®n, los investigadores recuerdan que, en el universo, la mayor parte de la materia est¨¢ sujeta a estas condiciones extremas, en el interior de planetas y otros cuerpos astron¨®micos.

A presi¨®n atmosf¨¦rica y temperatura ambiente, la conformaci¨®n interna de una barra met¨¢lica de potasio es sencilla: muchas hileras ordenadas de ¨¢tomos. Sin embargo, al comprimir y calentar el material, su estructura cristalina se complica. Desde hace a?os, los cient¨ªficos saben que pueden aparecer simult¨¢neamente dos configuraciones s¨®lidas de ¨¢tomos, pero la forma exacta de cada una se desconoc¨ªa.

No basta con conocer la ordenaci¨®n de un pu?ado de ¨¢tomos y asumir que se puede extrapolar a todo el material. Seg¨²n explica Rafael Molina, un f¨ªsico te¨®rico de materia condensada del Instituto de Estructura de los Materiales (IEM-CSIC), los cristales forman estructuras ¡°no conmensuradas¡±, lo cual significa que la distancia entre los ¨¢tomos en una red no es igual en otra. ¡°No son peri¨®dicas exactamente¡±, resume: ¡°Para entender bien estos materiales, hacen falta simulaciones de muchos ¨¢tomos¡±.

Hermann y sus compa?eros recurrieron a la inteligencia artificial para esclarecer las propiedades de estas redes grandes, seg¨²n explican en la revista PNAS. Entrenaron a una inteligencia artificial con las propiedades de peque?os grupos de ¨¢tomos de potasio, para que aprendiese a predecir la estructura de la materia bajo diversas condiciones. El programa incorpor¨® elementos de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, que es la teor¨ªa m¨¢s realista que tienen los f¨ªsicos para explicar el comportamiento de las part¨ªculas. As¨ª fue capaz de simular con ¨¦xito la configuraci¨®n de un bloque de 20.000 ¨¢tomos de potasio, algo que nunca se habr¨ªa logrado realizando los c¨¢lculos matem¨¢ticos de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, por su complejidad.

Al aumentar la presi¨®n, el programa predice que los ¨¢tomos de potasio, efectivamente, forman dos estructuras s¨®lidas pero independientes. Aproximadamente el 80% de ellos se organizan en cinco tubos cil¨ªndricos que componen una cruz griega (un cilindro en el centro, cuatro en los extremos). El 20% restante forma cuatro hileras de ¨¢tomos que se acomodan en los huecos de la cruz. En el rango de 127 a 527 grados cent¨ªgrados, y entre 20.000 y 40.000 veces la presi¨®n atmosf¨¦rica ¡ªcondiciones comparables a las del manto terrestre¡ª, solo las hileras de ¨¢tomos se vuelven l¨ªquidas. Fluyen de manera independiente a la estructura de cruz, que permanece s¨®lida.

La aportaci¨®n m¨¢s valiosa del estudio, seg¨²n Molina, quien no particip¨® en la investigaci¨®n, es que el programa de inteligencia artificial tambi¨¦n predice con sorprendente precisi¨®n los cambios de fase que ya se conoc¨ªan del potasio. Eso es ¡°una indicaci¨®n muy fuerte de que realmente tienen raz¨®n¡±, explica, a pesar de que todav¨ªa nadie ha observado a nivel at¨®mico este nuevo estado de la materia.

El algoritmo que han desarrollado Hermann y sus compa?eros se podr¨¢ utilizar para predecir si otros elementos experimentan tambi¨¦n este cambio de fase, o incluso estados nuevos todav¨ªa desconocidos. El potasio, concretamente, es un elemento muy reactivo y rara vez se encuentra en estado puro, por lo que ¡°es poco probable que exista as¨ª en la naturaleza¡±, confiesa Hermann. Pero los cient¨ªficos ahora tienen una herramienta para entender cambios extremos y naturales de la materia, como los que se producen en la desintegraci¨®n de un meteorito o en el impacto de una bala.