A 'desorde' molecular dos fluídos, a orixe da anomalía Yang-Yang

En 1964 Chen Ning Yang, Premio Nobel de Física en 1957, e o seu irmán Chen Ping Yang suxeriron que algo inesperado debía ocorrer cerca do punto crítico de transición dun líquido a gas no caso das sustancias puras, algo tan inesperado que non tiña cabida no marco teórico aceptado. Máis de 50 anos despois desta observación, chamada anomalía Yang-Yang, Michael E. Fisher, o seu discípulo Gerassimos Orkoulas e o físico ourensán Claudio Cerdeiriña veñen de demostrar como as responsables desta anomalía son as flutuacións locais de volume provocadas pola “desorde” molecular que caracteriza aos fluídos (líquidos e gases). O seu traballo foi recollido recentemente na revista de referencia internacional Physical Review Letters.

O artigo foi publicado a pasada semana baixo o título Soluble model fluids with complete scaling and Yang-Yang features. “Todo comezou en 2005, cando realicei unha estadía na Universidade de Maryland e puiden coñecer a Fisher e establecer con el unha interacción científica” que agora dá os seus froitos, comenta o físico ourensán. Segundo explica Cerdeiriña, no traballo publicado preséntase unha clase de modelos mecano-estatísticos, denominados "gases de celas compresibles", que incorporan unha característica dos fluídos (líquidos e gases) que os distingue dos sólidos: dado que os primeiros son, desde un punto de vista molecular, "desordenados", están caracterizados por flutuacións locais de volume ausentes no caso dos sólidos. Son estas flutuacións, apunta, as responsables da anomalía Yang-Yang.

Acomodando a anomalía á teoría

O punto crítico, contextualiza Claudio Cerdeiriña, asociado ás transicións ou cambios de fase entre os estados líquido e gas das substancias puras representa un estado no que a materia se comporta dunha forma singular. Nunha contorna próxima ao punto crítico as moléculas, engade, organízanse dunha forma moi particular e, como consecuencia diso, as propiedades físicas exhiben anomalías, falándose neste contexto de fenómenos críticos. A existencia deste punto crítico, lembra, foi descuberto en 1869 por Thomas Andrews e en 1873, Johannes Diderik van der Waals proporcionou unha explicación teórica da súa existencia que lle valeu o Premio Nobel de Física en 1910. “A mediados do século XX a idea xeral era que había un bo número de aspectos dos fenómenos críticos que estaban fóra do alcance desta teoría, desenvolvéndose a Teoría Moderna dos Fenómenos Críticos na década dos anos 60 e na primeira metade dos anos 70”. Esta teoría, engade, considérase o maior avance en física estatística nos últimos 50 anos, sendo “un dos seus pais fundadores” o británico Michael E. Fisher, un dos autores do artigo que se acaba de publicar na Physical Review Letters e persoa cunha estreita vinculación con España.

“Un dos aspectos que puxo en tea de xuízo a teoría de van der Waals é a denominada anomalía Yang-Yang, suxerida a través dun artigo publicado precisamente na Physical Review Letters. O consenso xeral durante moitos anos foi que non tiñan razón, porén no ano 2000 Fisher e os seus colaboradores demostraron, sobre a base de experimentos publicados en 1997, que a predición dos irmáns Yang era correcta”, comenta o investigador ourensán. As seguintes preguntas, apunta, xurdiron inmediatamente: cal é a explicación teórica da anomalía Yang-Yang? e máis concretamente, cales son os mecanismos a nivel molecular que subxacen a este fenómeno?. A física estatística, aclara Cerdeiriña, “proporciona respostas a este tipo de preguntas e o artigo publicado agora resolve o asunto”. “É dicir, transcorridos 50 anos da suxestión de Yang-Yang, púidose acomodar o fenómeno na Teoría Moderna dos Fenómenos Críticos”, recalca o físico da Universidade de Vigo.

Vinculación coa auga

“Neste traballo estúdanse algúns modelos mecano-estatísticos que simulan o comportamento físico da auga líquida. Un aspecto moi interesante de cara a traballo futuro é que esas flutuacións locais de volume que "producen" a anomalía Yang-Yang en estados de densidade relativamente baixa (como son os estados críticos) dan lugar a un escenario adicional alternativo moi suxerinte: o mesmo mecanismo (as flutuacións locais de volume) en estados de densidade alta explica porqué a auga pode existir como líquido en dúas formas diferentes, líquido de alta densidade e líquido de baixa densidade”, indica Claudio Cerdeiriña tendo en conta a especialización do campus de Ourense como Campus da Auga. Ata o ano 1992, apunta o investigador, dábase por suposto que só había un estado líquido para as substancias puras pero ese mesmo ano científicos norteamericanos propuxeron a hipótese de que a auga, unha substancia de extraordinaria complexidade desde un punto de vista físico, podía ser unha excepción. “Agora vemos, a través das flutuacións locais de volume en estados de alta densidade, que este comportamento da auga ten un soporte teórico sólido”, comenta o físico ourensán, que traballa desde o ano 2010 no tema das anomalías da auga. Falta, apunta, a verificación experimental, "un problema extremadamente complicado no que a comunidade científica internacional está investindo notables esforzos nas dúas últimas décadas".