Estados de agregación de la materia: una revisión

Introducción

Los tres tres estados básicos de la materia son el sólido, líquido y gaseoso. Se les considera básicos porque se pueden identificar en condiciones naturales dentro de nuestro planeta. En los últimos años, el estado plasma y el condensado Bose-Einstein han adquirido mayor presencia como estados de la materia en textos de divulgación científica y en materiales escolares: el primero es el estado de las estrellas y el estado más abundante en nuestro universo; el segundo es un estado producido por llevar un tipo de partículas llamadas bosones hacia temperaturas cercanas al cero absoluto. No obstante, estos no son los únicos estados de la materia descubiertos hasta el momento ¿Qué es un estado?, ¿por qué adquiere las formas que adopta?, y sobre todo y finalmente, ¿cuántos estados hay? Estas preguntas serán respondidas en el siguiente informe.

Resumen

-Los átomos que conforman la materia están compuestos por distintas partículas subatómicas: los neutrones, los protones y los electrones, por ejemplo.

-Un estado de la materia es la manera en que se describe la forma que adoptan las partículas  en un material.

-A estos estados también se le conoce como estado de agregación o fase. El primero porque describe cómo se agregan o no partículas para la constitución de los materiales. El segundo porque da cuenta de un estado que puede cambiar.

-En la escuela conocimos tres de estos: sólido, líquido y gaseoso. Con el tiempo, se introdujo también el plasma. En la actualidad contamos con cuatro más: el condensado Bose-Einstein, el condensado de Fermi, el material de neutrones y el estado de libertad asintótica.

-Los tres primeros estados se consideran básicos por encontrarse en la Tierra de manera natural. El plasma le sigue por presentarse principalmente en la materia de las estrellas.

-El condensado de Bose-Einstein, el material de neutrones y el estado de libertad asintótica son estados principalmente hipotéticos, pero capaces de aparecer en las condiciones extremas que describen los científicos.

Qué es un estado de la materia

Todas las cosas que vemos alrededor nuestro están formadas por materia. Nuestro cuerpo, los cuerpos de los animales y plantas, nuestra ropa, las estrellas y nuestro planeta están todos constituidos por materia. Los estados son las diversas formas en que se puede presentar la materia en el universo. Estos estados son determinados por cómo están organizados los átomos que la constituyen. Se conocen también como estados de agregación de la materia, ya que las partículas subatómicas, es decir, los constituyentes más pequeños de los átomos, se agregan y agrupan de maneras diferentes en cada estado. Dicha organización le da la forma con que las conocemos. Esto quiere decir que, dependiendo de cómo se organizan estas partículas, la materia presenta sus diversos estados. Esta será la vía que usaremos para describir cada estado de la materia en el desarrollo de este texto.

Estado sólido

Si las moléculas se encuentran en relación de acoplamiento, es decir, uno al lado del otro y uno detrás del otro, obtenemos un estado sólido de la materia.  Esta descripción nos advierte que los átomos presentan estabilidad y tienen un rango muy reducido para moverse o desplazarse. Asimismo, las partículas, por su constitución y carga electromagnética, presentan mayor atracción entre ellas, lo que reduce su movimiento y las posibilidades de interacción.

En esta misma línea, la fuerza de atracción entre las partículas individuales es mayor que la energía que causa separación. Esto es que la fuerza nuclear fuerte es más intensa que la fuerza nuclear débil, ambas, junto al electromagnetismo y la gravedad, son dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Debido a esto, mantienen su forma y presentan una consistencia sólida. La percibimos como materia fija y es resistente a los cambios de forma y volumen. Ejemplos de este estado son las rocas, madera, utensilios de metal, vidrio, hielo y grafito, entre otros.

Estado líquido

Si los átomos de un material presentan mayor libertad de desplazamiento, pero mantienen cierto estado de cohesión, estamos ante un estado líquido. Es decir, las partículas se atraen entre sí, pero con una distancia mayor entre sus constituyentes que en los sólidos. Se suele indicar además que la forma que adopta la materia en este estado es el de la base del recipiente. Es decir, al verter un material en este estado adopta la forma del contenedor.

Estado gaseoso

Si las partículas de un material se encuentran separadas estamos ante un estado gaseoso. En un estado de este tipo las partículas están muy apartadas, tanto que la única manera de mantenerlas juntas es en un recipiente.

Las partículas se encuentran en expansión, por lo cual son más dinámicas que los sólidos y los líquidos. Los gases ocupan todo el espacio disponible porque, como indicamos, no hay cohesión entre sus átomos.

Como se indicó, hasta acá tenemos a los tres estados básicos que se pueden encontrar en condiciones naturales del planeta. Ahora, revisaremos cinco estados más.

Estado plasma

Este estado se obtiene cuando un gas es sometido a altas temperaturas. No estamos hablando de temperaturas ordinarias, sino  a las que se acerca a los 10,000 grados kelvin. En estas condiciones, la temperatura es tan alta que a los átomos les cuesta mantenerse juntos en su propia estructura y pasan a disociarse en elementos más simples. Por ejemplo, los electrones y protones se disocian. Cuando un gas alcanza estas condiciones se obtiene un gas ionizado o también conocido como estado plasma.

Curiosamente, este es el estado más abundante en nuestro universo al estar las estrellas en este estado y estas ser abundantes en nuestro universo. Por ejemplo, nuestro sol, centro del sistema que habitamos está en este estado de la materia.

Bosones y fermiones en condiciones extremas.

Ahora bien, vimos que los gases al ser sometidos a altas temperaturas entran en el denominado estado plasmático. Pero qué sucede si conducimos a la materia a las condiciones opuestas, es decir, en vez de aumentar la temperatura, la reducimos de manera radical casi hasta llegar al denominado “cero absoluto”: temperatura hipotética equivale a -273.15°C  y, en ella, los átomos ralentizan su dinámica y pierden sus propiedades de interacción por la reducida energía presentada. En estas condiciones hay dos efectos y dependen de las partículas que se ven afectadas. Gracias al denominado modelo estándar en física de partículas podemos reconocer que la materia se constituye de dos tipos de partículas: los bosones  y fermiones. Para la mecánica cuántica, estas partículas se distinguen por el tipo de spin que presentan: un número cuántico que describe el tipo “giro” que realiza la partícula. Los bosones tienen un número entero en su descripción y los fermiones un número expresado con fracciones. Para la teoría de cuerdas, los bosones representan cuerdas cerradas en sí mismas y pueden atravesar las dimensiones sin problemas; por otro lado, los fermiones son cuerdas abiertas y ponen un punto de la cuerda en una dimensión y otro en otra dimensión. Los primeros cruzan dimensiones, los segundos las entrelazan.

Estos distintos tipos de descripción sólo quieren dar cuenta de que los bosones constituyen a las fuerzas fundamentales del universo y los fermiones se encargan de darle constitución a la materia.

Un pequeño pero central detalle. La razón por la cual los fermiones pueden formar materia es porque cumplen con el Principio de exclusión de Pauli: no pueden haber dos partículas con los mismos números cuánticos. Y al no poder estar dos partículas en un mismo estado cuántico, pasan a organizarse en capas o niveles. Esto deviene en formas y consistencias distintas.

Los bosones no siguen este principio y sí pueden organizarse en un mismo estado cuántico. Esto último permite que sus interacciones sean más intensas. En resumen, los fermiones constituyen la forma de la materia y

Condensado Bose-Einstein

Entonces, si por un lado los bosones son llevados al cero absoluto, la energía se reduce al extremo y los posibles estados de la materia también se reducen. En este sentido, los bosones pasan a un estado de mínima energía y pasan a formar un condensado que, curiosamente, aún mantiene propiedades del campo cuántico.  A este estado se le conoce como condensado de Bose-Einstein.

A estas temperaturas los átomos se aglutinan y pasan a un nivel de energía mínima, conocido como estado fundamental. En este estado, los átomos se comportan como un gran sistema cuántico, es decir, como si se tratara de un único “superátomo”.

Por el momento, solo se ha conseguido llevar la materia a este estado en un laboratorio, recurriendo a técnicas experimentales de física cuántica. Se espera que en un futuro el condensado de Bose-Einstein sea una revolución en el campo de la electrónica, pero actualmente la temperatura necesaria para que se forme es tan extrema que dificulta su estudio y aplicación. Sin embargo, un estado de superfluidez sirve como ejemplo de este estado. Este es el caso del helio. Este cuando se enfría se licúa, si se sigue enfriando los átomos de helio (que son bosones) descienden al nivel de mínima energía, el 0 Kelvin. Esto hace que los átomos no adquieran energía por fricción y evita que se disipe energía por movimiento. El resultado es un plano horizontal infinitamente estrecho; como lo que pasa en el interior de las supernovas cuando su periodo vital se agota y se transforman en agujeros negro

 

Condensado de Fermi

Ya vimos a los bosones puestos en condiciones de frío extremo. Veamos ahora qué sucede con los fermiones. Al igual que los bosones, los fermiones pasarían a un estado de mínima energía y la posibilidad de estados se reduce también. Sin embargo, y aquí reside la diferencia, los fermiones ven reducida la posibilidad de organizarse en órbitas atómicas y en capas o niveles. Es como si no pudieran organizarse.

Los investigadores añaden a este estado, se  le induce un campo magnético para que las partículas se vayan organizando. Lo que sucede con este estado es que las mismas se van organizando en pares y estos en otros pares y en los fermiones pasan a vincularse con otros fermiones de la misma carga. Al producto de llevar los fermiones a un cero absoluto y además de inducir un campo magnético para forzar su interacción se le conoce como superfluido con cero viscosidad, llamado también Condensado de Fermi.

La tecnología desarrollada para lograr los condensados fermiónicos, en la que prácticamente se manipulan los átomos casi en forma individual, permitirá el desarrollo de la computación cuántica, entre otras tecnologías.

Materia de neutrones

El estado aquí descrito se encuentra en los objetos con mayor nivel de energía en el universo: las estrellas de neutrones. Estas surgen como un remanente de estrellas muertas que superaron en su momento ocho veces la masa de un sol como la nuestra, o en términos técnicos, superan en ocho el denominado límite de Chandrasekhar. Este sol antiguo estalló por contener esta cantidad de energía en una supernova y dejó el núcleo de la estrella pero con una altísima densidad. Esto es una gran cantidad de masa, aproximadamente dos masas solares, condensadas en una estrella de 15 kilómetros.

Esta alta densidad hace que las partículas que la conforman se fusionen entre sí. Es decir, los protones se fusionan con electrones dando paso a los neutrones y a la emisión de neutrinos. Para algunos investigadores, estas estrellas son núcleos atómicos gigantes. Este tipo de organización de partículas da cuenta de un estado llamado Materia de neutrones.

En resumen, como vimos, toda la materia que nos rodea está compuesta de átomos. Estos tienen núcleos densos, que comprenden protones y neutrones, y están rodeados de electrones cargados negativamente. Sin embargo, dentro de las estrellas de neutrones, se sabe que la materia atómica se colapsa en materia nuclear inmensamente densa en la que los neutrones y protones están tan juntos que la estrella entera puede considerarse un solo núcleo enorme.

La curiosidad de este estado es que la materia que reside dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones estables más masivos se parece mucho más a la materia de quarks que a la materia nuclear ordinaria.

Estado de libertad asintótica

Como se puede observar a los largo de nuestra presentación, para que los estados salgan de las formas usuales en que los conocemos, debemos llevar la materia a extremos de presión, densidad y energía. Un escenario que sin duda cumple con estas condiciones extremas es el del origen del universo. En este la presión era tan alta que las partículas estaban disociadas, no entre ellas solamente, sino en su interior. Esto dio paso a una mazamorra de elementos subatómicos.

A este estado hipotético de la materia se le conoce como Estado de libertad asintótica o también, y de manera más vulgar, como mazamorra de quarks y gluones. Como se comentó, si bien es un estado hipotético es posible que pueda encontrarse en el interior de las estrellas de neutrones y en las condiciones al interior de un agujero negro: lugares donde se replicarían las condiciones del universo primordial.