Los científicos rompen los límites de temperatura con oro sobrecalentado, abriendo nuevos horizontes en la ciencia
Un método innovador para medir la temperatura de los átomos en materiales extremadamente calientes ya está cambiando nuestra comprensión del mundo, cambiando radicalmente creencias arraigadas sobre el sobrecalentamiento.
Es difícil medir la temperatura de objetos muy calientes. Ya sea el plasma que gira en nuestro Sol, las condiciones extremas en los núcleos de los planetas o las fuerzas de compresión que actúan dentro de un reactor de fusión, lo que los científicos llaman "materia densa y caliente" puede alcanzar cientos de miles de grados Kelvin.
Saber con precisión qué tan calientes están estos materiales es crucial para que los investigadores comprendan completamente estos sistemas complejos, pero hasta ahora, realizar estas mediciones ha sido prácticamente imposible.
Bob Nagler, científico del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía.
Ahora, por primera vez, un equipo de investigadores informa haber medido directamente la temperatura de los átomos en materia densa y caliente. Mientras que otros métodos se basan en modelos complejos y difíciles de validar, este nuevo método mide directamente la velocidad de los átomos y, por lo tanto, la temperatura del sistema.
Su método innovador ya está cambiando nuestra comprensión del mundo: en un primer experimento, el equipo sobrecalentó oro sólido mucho más allá del límite teórico, revirtiendo inesperadamente cuatro décadas de teorías establecidas.
Llevando la temperatura a un nuevo nivel
Durante casi una década, este equipo ha trabajado para desarrollar un método que evite los desafíos típicos de la medición de temperaturas extremas, específicamente, la corta duración de las condiciones que crean estas temperaturas en el laboratorio y la dificultad de calibrar cómo estos sistemas complejos afectan a otros materiales.
En el instrumento MEC del SLAC, el equipo utilizó un láser para sobrecalentar una muestra de oro . Al atravesar el calor la muestra nanométrica, sus átomos comenzaron a vibrar a una velocidad directamente relacionada con el aumento de su temperatura.
Posteriormente, el equipo envió un pulso de rayos X ultrabrillantes desde la Fuente de Luz Coherente del Linac (LCLS) a través de la muestra sobrecalentada. Al dispersarse por los átomos vibrantes, la frecuencia de los rayos X varió ligeramente, revelando la velocidad de los átomos y, en consecuencia, su temperatura.
Siegfried Glenzer, director de la división de Ciencia de Alta Densidad Energética del SLAC y coautor del artículo.
El equipo quedó encantado con la exitosa demostración de esta técnica y, al analizar los datos con más detalle, descubrió algo aún más emocionante. «Nos sorprendió encontrar una temperatura mucho más alta en estos sólidos sobrecalentados de lo que esperábamos inicialmente, lo que refuta una teoría arraigada de la década de 1980», dijo White. «Este no era nuestro objetivo original, pero de eso se trata la ciencia: de descubrir cosas nuevas cuya existencia desconocíamos».
El oro fue calentado a más de 14 veces su punto de fusión
Cada material tiene puntos específicos de fusión y ebullición, marcando la transición de sólido a líquido y de líquido a gas, respectivamente. Sin embargo, hay excepciones. Por ejemplo, cuando el agua se calienta rápidamente en recipientes muy lisos, como un vaso de agua en el microondas, puede volverse "sobrecalentado", alcanzando temperaturas superiores a 100 ° C sin hervir realmente. Esto se debe a que no hay superficies rugosas o impurezas para desencadenar la formación de burbujas.
Pero este truco de la naturaleza conlleva un mayor riesgo: cuanto más se mueva un sistema desde sus puntos normales de fusión y ebullición, más vulnerable se vuelve a lo que los científicos llaman una catástrofe , un inicio repentino de fusión o ebullición desencadenada por un ligero cambio ambiental. Por ejemplo, el agua sobrecalentada en un microondas hervirá explosivamente cuando se moleste, lo que puede causar quemaduras severas.
En este estudio, el equipo descubrió que el oro había sido sobrecalentado a unos asombrosos 19.000 kelvin ( más de 14 veces su punto de fusión y mucho más allá del límite propuesto para la catástrofe de entropía) , todo ello manteniendo su sólida estructura cristalina.
Referencia de noticias:
Thomas G. White, Travis D. Griffin, Daniel Haden, Hae Ja Lee, Eric Galtier, et.al. Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold. Nature (2025).