Azar en el orden de una red cristalina

Publicado el Viernes, 7 de agosto de 2009 por MiGUi en Física
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La naturaleza tiende al desorden, pero a veces patrones ordenados permiten al sistema aumentar su desorden total. En el Physical Review Letters del pasado 24 de Julio investigadores españoles mostraron que dado un gran conjunto de esferas se consigue una ordenación cristalina en favor de algo más desordenado, incluso cuando las esferas están ligadas en cadenas de polímeros. A pesar de que la simulación por ordenador es una idealización, los investigadores creen que esto proporcionará nuevas ideas para los polímeros reales y otras moléculas grandes, como las proteínas.

En una simulación por ordenador, los distintos colores para las cadenas de esferas  representan polímeros ideales que evolucionan desde una configuración aleatoria (derecha) a una cristalina (izquierda). Sorprendentemente el cristal tiene mayor entropía, porque las esferas individuales tienen un pequeño hueco para moverse y no están encastradas rígidamente en su lugar.

 Partículas individuales como los átomos a veces se ordenan en un cristal porque obtienen un estado de mínima energía de ese modo. En contraste, la aleatoriedad o la entropía favorecen un estado desordenado, como las moléculas en un líquido. Pero los investigadores han encontrado a lo largo del tiempo que las esferas, sin ninguna clase de atracción, se configuran en una red cristalina cuando son confinadas con la densidad suficiente. Esta cristalización dominada por la entropía ocurre porque el cristal deja cada esfera con un pequeño espacio alrededor para moverse. En cambio, la configuración aleatoria degenera en una red rígida de esferas en contacto con sus vecinos. La entropía del resto de los elementos capaces de moverse no puede hacer nada contra la rigidez del resto de las esferas empaquetadas.

 No obstante muchos investigadores pensaban que conectando las esferas como si fueran perlas en un collar para simular polímeros restringiría su movimiento lo bastante para que el espacio extra con el que cuentan en el cristal no sirva para nada. La configuración aleatoria prevalecería. Para probar esta idea, Manuel Laso y su equipo de la Universidad Politécnica de Madrid simularon un modelo idealizado en el que las esferas de la misma cadena deben estar en contacto unas con otras pero pueden moverse libremente salvo esta restricción. Sin resistencia a poder doblarse o a torcer en esos puntos de conexión y sin otras fuerzas entre esferas, la simulación es similar al caso de esferas simples sin carga, en las cuales cualquier transición a un cristal está enteramente dominado por la entropía.

Un desafío práctico era que las cadenas muy densamente empaquetadas se volvían entrelazadas y llevaba un tiempo enorme reorganizarse en un cristal, incluso aunque esa estructura fuese la más favorable. Para aumentar la velocidad los investigadores permitieron que las esferas cambiasen de una cadena a otra. Aunque esta dinámica no es la real, como dice el miembro del equipo Nikos Karayiannis:

somos capaces de muestrear los órdenes de magnitud de espacios de configuración diferentes con mayor rapidez.

Estas simulaciones mostraron que las esferas individuales forman un cristal, tal y como hacen las esferas sin ninguna clase de conexión, pese a que las cadenas no formen ningún patrón. Karayiannis dice que la cristalización de los polímeros ocurre por la misma razón que sucede en las esferas sin conexión. Parece que es posible para la entropía dominar la cristalización, según dice, aunque otros modelos más realistas de polímeros pudieran incluir otras fuerzas como la atracción mutua entre las esferas y la resistencia a doblarse o a girar.

Karayannis añade que para meorar la comprensión sobre la cristalización de los polímeros, los resultados podrían además extrapolarse a moléculas de proteínas, que son polímeros biológicos. La relevancia de las proteínas no es tanto la cristalización como la manera en que se embebe una proteína en una estructura tridimensional, en la que las interacciones entre las distintas partes de la molécula son análogas a las que ocurren en los polímeros cristalizados.

Observar la cristalización dominada por la entropía en un polímero es algo inusitado. La intuición inicial sería que los enlaces entre moléculas frustraran los intentos de movimiento de las esferas más libres. Pero la conexión con un modelo más realista de polímero no está del todo clara.

dice Thomas Truskett, de la University of Texas en Austin. Además añade

Un buen trabajo fundamental como este hace que se avance en el campo, aunque no sepamos muy bien cómo aplicarlo en el camino adecuado.

Traducción libre de focus.aps.org/story/v24/st5.

NOTA: Tras el descanso de cerca de un mes, volverá la publicación de artículos a ritmo normal de 2 o 3 por semana.

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    1. Anónimo dice:

      hola como esta yo me ya nicauris