separación de fases

Imagínese un agujero diminuto en una lámina de grafeno: un único átomo de carbono que falta. Antes se creía que la molécula de agua se rompía en ese defecto solo en solitario, en gas seco. Pero si alrededor chapotea agua líquida, todo cambia.

En un canal anular entre dos anillos dentados cuelgan microesferas: unas de 8 micrómetros de radio, otras de 14. Se enciende la descarga y las partículas se ponen en movimiento. Las pequeñas van hacia un lado, las grandes hacia el otro. Como en un centro comercial donde, para personas de distinta estatura, funcionan escaleras mecánicas que se mueven en direcciones opuestas.

Una hoja de papel se rasga donde la tensión supera su resistencia. El epitelio, la capa de células que recubre nuestros órganos, se comporta de manera similar, pero hasta hace poco los modelos no podían mostrar cómo aparecen las roturas en él.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos y se mueven libremente. A veces, en ese gas, surgen espontáneamente regiones donde casi no hay electrones: se les llama agujeros. Como si en una corriente de agua apareciera un remolino que atrae todo lo que está alrededor. Pero cómo nace exactamente ese remolino ha sido durante mucho tiempo un misterio.

En un vaso de agua, el aceite se acumula en gotas: es una separación en equilibrio dictada por la química. Pero hay sistemas donde el orden no nace del reposo, sino de un flujo constante de energía.

Un diapasón golpeado suena limpio y durante mucho tiempo. Pero si mientras suena agitas ligeramente el propio diapasón, el sonido empezará a temblar y se apagará rápidamente. Algo parecido ocurre con los electrones en cualquier trozo de materia. Los átomos en la red nunca están quietos: las vibraciones térmicas los hacen temblar continuamente.

Si se comprime agua entre dos cristales de modo que solo quepan dos capas de moléculas, se convierte en algo intermedio entre líquido y hielo. A temperatura ambiente, las moléculas en esa trampa aún se mueven, pero ya se alinean formando una especie de red cristalina.

Un trozo de plastilina, si se amasa, se comporta como un sólido amorfo: ni cristal ni líquido. Dentro de ese material pueden ocurrir avalanchas: una pequeña reorganización arrastra a las vecinas y la onda recorre toda la muestra.

Un cocinero vierte jarabe de azúcar caliente sobre una mesa fría y este se solidifica en cristales. Así es como los ingenieros imaginaban la solidificación del metal: el líquido se convierte directamente en un conjunto de granos cristalinos. Pero una filmación en primer plano mostró que entre lo líquido y lo sólido se intercala otra etapa.

La membrana celular se parece a una empalizada de moléculas apretadas unas contra otras: largas como cerillas, con una cabeza hidrófila y una cola hidrófoba. No es solo una envoltura, sino una barrera viva: deja pasar lo que necesita, bloquea lo extraño y mantiene la forma.

El agua hierve detrás de una piedra en el río, el aire se arremolina detrás del ala de un avión: parece que el movimiento es completamente caótico. Pero los autores del estudio encontraron en ese caos una receta de cocina estricta. Descompusieron la rotación del fluido (el momento angular) en dos partes independientes.

Largos filamentos proteicos, sus enredos y contactos aleatorios: así se explicaba habitualmente el nacimiento de las gotas celulares. Estos orgánulos sin membrana, donde ocurren reacciones importantes, se asemejan a gotas de aceite en agua: surgen solos cuando las moléculas se separan en fases.

En los materiales porosos —suelo, rocas, filtros— los líquidos se mueven a través de diminutos canales sinuosos. Cuando en ese medio coexisten dos líquidos inmiscibles, como agua y aire, la frontera entre ellos cambia constantemente: las burbujas de aire desplazan el agua de algunos poros y abren camino en otros.

En una rendija estrecha entre dos láminas, el agua del aire húmedo se acumula por sí sola: es la condensación capilar. Si la rendija tiene solo unos pocos nanómetros de ancho, el agua ya no se comporta como un líquido continuo: cada molécula cuenta.

Las moléculas en una solución se comportan como una multitud en una plaza: pueden empujarse sin orden, o alinearse en filas perfectas. La solución acuosa de cromoglicato de disodio es un conocido modelo de cristales líquidos cromónicos, donde esas "filas" surgen espontáneamente. Pero si se ilumina la solución con luz ultravioleta, el orden se derrumba: las moléculas comienzan a fragmentarse.

Dentro de cada diminuta partícula que compone el cátodo de una batería de iones de sodio, el sodio se distribuye de manera desigual, como si el azúcar en el té se hubiera apelmazado en grumos. Esto reduce la capacidad y la vida útil de la batería.

La capa de células que recubre los órganos internos se parece a una fila en el metro abarrotado: todos están apretados, pero a veces la multitud empieza a fluir y la gente se desliza unos entre otros. Los biólogos llaman a este comportamiento una transición de un estado sólido y atascado a uno fluido.

Muy por debajo de nuestros pies, en el mismo centro de la Tierra, se encuentra el núcleo sólido de hierro. Pero no es hierro puro: también contiene elementos más ligeros, como el hidrógeno. Cómo se distribuye exactamente el hidrógeno dentro del núcleo ha sido durante mucho tiempo un misterio.

En el aire que respiramos ocurren constantemente eventos químicos invisibles al ojo. Uno de ellos es el nacimiento y la muerte instantánea de una partícula con la fórmula H₂COO. Se la llama «compuesto intermedio»: aparece por una fracción de segundo cuando las moléculas de ozono chocan con sustancias orgánicas, y de inmediato se deshace en fragmentos más simples.

En un vaso de agua se disuelven varias sales y formaldehído. Al cabo de un tiempo, el líquido se separa espontáneamente: aparecen gotas con membrana, parecidas a diminutas burbujas. Dentro de cada gota ocurren transformaciones químicas, y la gota misma crece al incorporar materia de la solución circundante. Estas gotas no son simples burbujas. En su interior se forman gotas más pequeñas, que también pueden crecer.

Los cristales de tiempo son una fase exótica de la materia que exhibe movimiento periódico no en el espacio, sino en el tiempo, incluso en su estado fundamental, no excitado. Esta idea, que recuerda a un reloj perpetuo que no requiere cuerda, fue propuesta por primera vez por Frank Wilczek.

Una gota de aceite en agua se comporta como una pequeña canica: tiende a ocupar el lugar de menor energía. Si hay una pared cerca, la gota a menudo se adhiere a ella, igual que una gota de lluvia se extiende sobre el vidrio. En una mezcla de dos líquidos inmiscibles, como polietilenglicol y dextrano, se forman gotitas diminutas de un líquido dentro del otro.

El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada. Los físicos han encontrado una explicación sencilla.

El helio superfluido helio fluye sin fricción, y en él nacen vórtices — embudos microscópicos, parecidos a los remolinos en el agua. Dos de estos vórtices pueden jugar a la pídola: uno salta sobre el otro, y brincan en círculo. Este juego fue predicho por Richard Feynman en la década de 1950.