Desaparición de los sistemas universales de dos niveles en vidrios ultraestables

Una característica fundamental y sorprendente de todos los sólidos no cristalinos es que, independientemente de su naturaleza y composición, presentan una serie de propiedades universales, a veces denominadas “anómalas” por contraposición a los bien comprendidos sólidos cristalinos, observables en el rango de bajas temperaturas. Estas “anomalías vítreas” universales se atribuyen a la existencia ubicua de procesos de tuneleo cuántico entre dos estados configuracionales de similar energía, conocidos por el nombre de “Two Level Systems o TLS”. Este modelo, llamado Modelo de Tunneling y que data de 1972, ha sido ampliamente aceptado durante décadas, aunque tiene algunos detractores, como el Premio Nobel de Física Anthony Leggett quien sostiene que es muy improbable que sistemas de TLS no interactuantes de este tipo puedan dar lugar a propiedades tan universales.

En un trabajo reciente, hemos presentado nuestro descubrimiento de que los TLS no aparecen al medir por debajo de 1 K el calor específico de un nuevo tipo de vidrios “ultraestables” de una molécula orgánica denominada indometacina. Los vidrios ultraestables representan una nueva familia de vidrios que poseen una estabilidad termodinámica y cinética muy superior a los vidrios convencionales, habitualmente preparados a partir del líquido sobrenfriado. Este nuevo tipo de vidrios se prepara en forma de capa fina a partir de la fase vapor, y pueden conseguirse en pocas horas materiales con una estabilidad tan elevada que se requerirían millones de años en producirlos por la técnicas convencionales, aprovechando la mucha mayor movilidad superficial de las moléculas, si se eligen apropiadamente la temperatura del sustrato y la velocidad de deposición de la sustancia que se va a vitrificar.

No obstante, los experimentos complementarios de difracción de rayos X y calorimetría realizados, y la comparación con otro trabajo nuestro anterior en vidrios de ámbar estabilizados durante 110 millones de años, nos han llevado a concluir que la clave del inesperado comportamiento observado no está en la gran estabilización termodinámica por sí misma, sino en la anisotropía y el particular crecimiento por capas del vidrio ultraestable de indometacina,. Esto, a su vez, pensamos que respalda las ideas de Leggett y otros sobre las imprescindibles interacciones entre los sistemas de dos niveles, aunque serán necesarios más experimentos en materiales relacionados para confirmar nuestras hipótesis.

Preparación y crecimiento en capas de películas de indometacina de entre 50-80 micras de espesor. La particular anisotropía del vidrio ultraestable (izquierda) parece bloquear la interacción entre los dos niveles mediado por las vibraciones acústicas de la red. Este mecanismo se recupera cuando el material absorbe agua y/o pierde su estructura ultraestable (derecha). Miguel Angel Ramos. UAM.

Preparación y crecimiento en capas de películas de indometacina de entre 50-80 micras de espesor. La particular anisotropía del vidrio ultraestable (izquierda) parece bloquear la interacción entre los dos niveles mediado por las vibraciones acústicas de la red. Este mecanismo se recupera cuando el material absorbe agua y/o pierde su estructura ultraestable (derecha). Miguel Angel Ramos. UAM.

“Suppression of tunnelling two-level systems in ultrastable glasses of indomethacin”, Tomás Pérez-Castañeda, Cristian Rodríguez-Tinoco, Javier Rodríguez-Viejo, and Miguel A. Ramos, PNAS 111, 11275 (2014). 

Miguel Angel Ramos.