Las propiedades de los vidrios a bajas temperaturas duran millones de años

En un trabajo publicado en Physical Review Letters, físicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) estudiaron muestras de ámbar de más de 110 millones de años de edad: sólidos en estado vítreo que han sufrido un extraordinario proceso de envejecimiento y estabilización termodinámica. Las muestras de ámbar fueron tomadas de El Soplao, una cueva en Cantabria cuya formación se remonta al Cretácico y que hoy alberga en sus 20 kilómetros de longitud gran cantidad de particulares formaciones geológicas.

En el Laboratorio de Bajas Temperaturas de la UAM los investigadores caracterizaron las propiedades termodinámicas de estas muestras y midieron su calor específico a temperaturas hasta por debajo de 0,1 kelvin. Por otra parte, se realizaron medidas complementarias de velocidad del sonido de las mismas muestras en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) mediante una técnica de espectroscopía llamada Brillouin.

“La idea era comparar estas y otras propiedades físicas de los vidrios vírgenes de ámbar hiperenvejecido con las de las mismas muestras, a medida que se les iba borrando gradualmente su historia térmica a base de procesos de calentamiento, hasta llegar finalmente a un vidrio completamente rejuvenecido después de haber hecho pasar al ámbar por el estado líquido”, explica Miguel Ángel Ramos, investigador del departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM y director del trabajo.

Estos experimentos permitieron a los expertos demostrar que las dos características más importantes y omnipresentes de los sólidos vítreos a bajas temperaturas (la presencia de sistemas de tuneleo de dos niveles y el llamado 'pico bosónico') persisten esencialmente sin cambios en estos vidrios altamente estabilizados, al contrario de lo que generalmente se pensaba durante los últimos cuarenta años.

“El hallazgo más llamativo de nuestro trabajo fue observar que la densidad de sistemas de dos niveles, quizás la más conocida de las anomalías universales de los sólidos amorfos a muy bajas temperaturas, es exactamente la misma en el ámbar virgen superestabilizado termodinámicamente y en las muestras posteriormente rejuvenecidas, que son por tanto vidrios convencionales”, declara Tomás Pérez Castañeda, del departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM, y quien realizó la mayor parte de los experimentos como parte de su tesis doctoral.

Según señalan también los autores de la investigación, el ámbar podría servir en un futuro próximo como material modelo de gran utilidad para esclarecer muchos otros rompecabezas que continúan jalonando las investigaciones de la física del estado vítreo, mucho más desconocida y debatida que la correspondiente al estado cristalino.

Vidrios de ámbar

Además de sus usos ornamentales durante miles de años, el ámbar es conocido también por tener un significado paleontológico muy importante, ya que es un sistema único en el que se preservan bioinclusiones muy antiguas de animales y vegetales que quedaron atrapados en la resina viscosa y luego quedaron fosilizados hace millones de años.

En concreto, el ámbar es una resina de árbol fosilizada, producida a partir de los exudados de coníferas o angiospermas, que ha sufrido un proceso de maduración a través del tiempo geológico, durante el que tiene lugar una polimerización progresiva, así como la evaporación de los componentes volátiles, reacciones de isomerización, reticulación y ciclación. Como resultado de todo esto, las resinas se fosilizan, después de largos períodos de tiempo que pueden exceder en algunos casos los cien millones de años, como en el yacimiento de El Soplao, transformándose en materiales densificados y muy estables: vidrios de ámbar.

Distintos depósitos de ámbar por todo el mundo con diferentes tipos o composiciones químicas de ámbar han demostrado ser de gran valor para la paleontología en la reconstrucción de los ecosistemas y la vida prehistórica.

Para la física y la química, el ámbar es un ejemplo único de un vidrio que ha envejecido durante mucho tiempo por debajo de su temperatura de transición vítrea, alcanzando así un estado que no es accesible en condiciones experimentales normales.

Desde un punto de vista químico, el ámbar es un sólido macromolecular resultante de la polimerización por radicales libres. Desde un punto de vista físico, es un sólido vítreo o amorfo que ha experimentado un proceso de estabilización termodinámica extrema ('hiperenvejecimiento').

De hecho, el ámbar, como muchos otros polímeros naturales o sintéticos, es un vidrio producido por vitrificación química, mientras que los típicos líquidos químicamente estables se convierten en vidrios por vitrificación física, es decir, mediante la reducción de la temperatura o el aumento de la presión. Sin embargo, se ha demostrado que ambos tipos de vidrio presentan esencialmente las mismas propiedades cinéticas y termodinámicas que caracterizan el comportamiento vítreo.