Descubren un nuevo estado híbrido de la materia: metales líquidos con átomos inmóviles
En el mundo de la física, los límites entre lo sólido y lo líquido estaban fuera de toda duda. Ahora, un equipo internacional de físicos ha demostrado que algunos metales fundidos esconden átomos inmóviles, capaces de crear un estado híbrido de la materia con propiedades inesperadas.
Por Enrique Coperías
Incluso cuando un metal se funde y parece fluir sin orden, no todos sus átomos se mueven. El hallazgo de estas islas inmóviles en metales líquidos revela un nuevo estado híbrido de la materia que desafía las reglas clásicas de la física. Cortesía: Universidad de Nottingham
Durante siglos, la frontera entre lo sólido y lo líquido ha parecido una de las más claras y definidas de la física. En un metal sólido, los átomos ocupan posiciones fijas, ordenadas como soldados en formación; en un metal líquido, en cambio, se mueven sin cesar, chocando y reorganizándose a gran velocidad.
La transición entre ambos estados —la solidificación— se ha descrito tradicionalmente como un paso abrupto del desorden al orden, gobernado por las leyes clásicas de la nucleación cristalina. Sin embargo, un nuevo trabajo internacional, publicado en la revista ACS Nano, sugiere que esta frontera no es tan nítida como creíamos. En el mundo nanoscópico, los metales pueden habitar un territorio intermedio: un estado híbrido en el que lo líquido y lo sólido conviven de formas inesperadas.
«Cuando pensamos en la materia, normalmente consideramos tres estados: gas, líquido y sólido. Aunque el comportamiento de los átomos en los gases y en los sólidos es relativamente fácil de entender y describir, los líquidos siguen siendo mucho más misteriosos», explica Andrei Khlobystov, físico de la Universidad de Nottingham, en el Reino Unido, e investigador principal del estudio.
Cómo observar átomos individuales en metales fundidos
El hallazgo se apoya en una observación directa sin precedentes. Utilizando microscopía electrónica de transmisión de ultraalta resolución, un equipo liderado por investigadores de las universidades de Nottingham y Ulm ha conseguido filmar, átomo a átomo, cómo se solidifican nanopartículas de platino, paladio y oro.
Lo que han visto desafía uno de los dogmas básicos de la materia condensada: incluso en un metal fundido, algunos átomos pueden permanecer inmóviles, anclados como islas sólidas en un mar líquido.
La clave del descubrimiento está en la escala. A tamaños de apenas unos nanómetros —millonésimas de milímetro—, los metales no se comportan como en el mundo macroscópico.
El papel del grafeno y los átomos estacionarios
Para observarlos, los investigadores depositaron diminutas cantidades de metal sobre láminas de grafeno, un material de un solo átomo de grosor, extraordinariamente resistente y buen conductor del calor. Este soporte permitió calentar y enfriar las nanopartículas desde temperatura ambiente hasta 800 grados centígrados sin perder resolución atómica.
Cuando una nanopartícula sólida se funde, los átomos empiezan a moverse tan rápido que su imagen desaparece en el microscopio: el contraste se difumina y el metal se vuelve casi transparente al haz de electrones. Pero, sorprendentemente, algunos puntos brillantes permanecen fijos, como estrellas inmóviles sobre un fondo borroso. Esos puntos son átomos individuales de metal que no se mueven, ni siquiera a temperaturas extremas.
🗣️ «Comenzamos fundiendo nanopartículas metálicas, como platino, oro y paladio, depositadas sobre un soporte de grosor atómico: el grafeno —dice Christopher Leist, investigador en la Universidad de Ulm, en Alemania. Y añade—: Utilizamos el grafeno como una especie de placa calefactora para este proceso y, al fundirse, los átomos empezaron a moverse rápidamente, como era de esperar. Sin embargo, para nuestra sorpresa, descubrimos que algunos átomos permanecían inmóviles».
Cuando el metal líquido se niega a solidificarse
Pero ¿por qué no se mueven? La respuesta está en el grafeno. El bombardeo controlado del microscopio electrónico genera defectos minúsculos en la red de carbono, vacantes donde faltan uno o dos átomos. Esos defectos actúan como trampas químicas muy potentes: los átomos de platino, en particular, se enlazan a ellos con una fuerza tan grande que quedan literalmente clavados en su sitio.
Ni el calor ni el movimiento del metal líquido son suficientes para arrancarlos.
Este detalle aparentemente técnico tiene consecuencias profundas. El número y la disposición espacial de esos átomos inmóviles —a los que los autores llaman átomos estacionarios— determinan cómo y cuándo se solidifica la nanopartícula. Si hay pocos, dispersos al azar, el metal líquido acaba cristalizando de forma más o menos convencional. Aparece un pequeño núcleo sólido, que crece y se propaga hasta ordenar toda la partícula.
Pero cuando los átomos estacionarios son muchos y se organizan alrededor del perímetro del metal líquido, el comportamiento cambia de forma radical. En lugar de cristalizar, la nanopartícula puede permanecer líquida cientos de grados por debajo de su temperatura normal de solidificación. El equipo ha observado gotas de platino que siguen fundidas incluso a 200 ºC o 300 ºC, cuando el metal macroscópico ya sería sólido desde hace tiempo.
«Nuestros experimentos nos han sorprendido, porque observamos en directo la dualidad onda-partícula de los electrones en el haz electrónico —explica Ute Kaiser, directora del centro SALVE, en la Universidad de Ulm. Y continúa—: Visualizamos el material utilizando los electrones como ondas. Al mismo tiempo, los electrones se comportan como partículas, y proporcionan impulsos discretos de momento que pueden mover átomos o, de forma sorprendente, incluso fijarlos en el borde de un metal líquido. Esta observación tan notable nos ha permitido descubrir una nueva fase de la materia».
Un líquido superenfriado atrapado en un corral atómico
Este estado de líquido superenfriado no es del todo nuevo, pero aquí aparece de una forma extrema y controlada. Los átomos inmóviles forman una especie de corral atómico que encierra al metal líquido, impidiendo así que adopte la estructura ordenada de un cristal. Las distancias impuestas por el grafeno no encajan con la geometría del retículo cristalino del platino, lo que bloquea el proceso de nucleación.
Cuando finalmente el sistema ya no puede mantenerse líquido, el desenlace tampoco es el habitual. En lugar de cristalizar, el metal se solidifica en un estado amorfo, sin orden a largo alcance, más parecido a un vidrio metálico que a un cristal. Solo más tarde —a veces de forma espontánea, a veces estimulada por el propio haz de electrones— ese sólido amorfo puede reorganizarse y cristalizar.
Las imágenes captadas durante este proceso muestran una danza atómica compleja: fases líquidas que aparecen y desaparecen, núcleos cristalinos efímeros que se forman y se disuelven en segundos, regiones amorfas que conviven con dominios ordenados dentro de la misma nanopartícula. Todo ello ocurre en un espacio de apenas unos nanómetros y bajo condiciones aparentemente idénticas de temperatura.
Por qué el platino se comporta distinto al oro
El estudio muestra, además, que no todos los metales se comportan igual. El platino resulta especialmente adecuado para este tipo de experimentos porque se une con mucha fuerza al carbono y sus átomos son lo bastante pesados como para moverse con relativa lentitud bajo el haz electrónico.
El oro, en cambio, se enlaza débilmente al grafeno, lo que impide crear suficientes átomos estacionarios para alterar su solidificación. Y el paladio, por su parte, es tan sensible al impacto de los electrones que cristaliza demasiado rápido, escapando al control experimental.
Más allá de la física fundamental, Leist y sus colegas subrayan las implicaciones tecnológicas del hallazgo. El platino sobre carbono es uno de los sistemas más utilizados en catálisis, desde los convertidores catalíticos de los coches hasta las pilas de combustible. En esos dispositivos, las nanopartículas metálicas trabajan a altas temperaturas, en entornos dinámicos donde su estructura atómica cambia constantemente.
🗣️ «El descubrimiento de un nuevo estado híbrido del metal es muy significativo —dice Jesum Alves Fernandes, experto en catálisis en la Universidad de Nottingham. Y añade—: Dado que el platino sobre carbono es uno de los catalizadores más utilizados en el mundo, encontrar un estado líquido confinado con un comportamiento de fase no clásico podría cambiar nuestra comprensión de cómo funcionan los catalizadores. Este avance podría conducir al diseño de catalizadores autolimpiables con mayor actividad y una vida útil más larga».
Modelo teórico de un nanodropleto líquido de platino confinado en un defecto del soporte de carbono. Los colores indican la movilidad de los átomos: los átomos de platino situados en los bordes apenas se mueven y forman un corral atómico que encierra a los átomos más móviles del centro. Cortesía: Universidad de Nottingham
Implicaciones para la catálisis y los materiales del futuro
Si algunos átomos permanecen anclados mientras otros se mueven libremente, la superficie activa del catalizador —el lugar donde ocurren las reacciones químicas— puede ser mucho más heterogénea de lo que se suponía. Esto sugiere que muchos modelos actuales, basados en promedios y estructuras ideales, podrían estar pasando por alto comportamientos clave que determinan la eficiencia y la estabilidad de estos materiales.
El concepto de corrales a escala atómica tampoco es completamente ajeno a la física. En los años noventa se demostró que era posible confinar electrones individuales en la superficie de un metal, y crear de este modo estructuras artificiales con propiedades cuánticas nuevas. Más tarde se lograron efectos similares con la luz. Este trabajo extiende la idea un paso más allá: ahora son los propios átomos los que quedan atrapados, dando lugar a estados de la materia que no encajan en las categorías clásicas.
🗣️«Nuestro logro podría anunciar una nueva forma de materia que combina características de los sólidos y de los líquidos en un mismo material», confiesa Andrei Khlobystov, coautor del estudio y profesor de nanomateriales en la Facultad de Química, en la Universidad de Nottingham, en el Reino Unido.
Un nuevo tipo de estado de la materia
En última instancia, el estudio nos recuerda que las fronteras entre los estados de la materia son más difusas de lo que aprendimos en los libros de texto. A escalas diminutas, la materia se comporta de formas híbridas, negociando de forma constante entre el orden y el desorden, entre la rigidez del sólido y la fluidez del líquido.
Comprender esos estados intermedios no solo amplía nuestro conocimiento fundamental, sino que abre la puerta a diseñar materiales con propiedades ajustadas átomo a átomo.
Quizá, en el futuro, los catalizadores, los sensores o los dispositivos energéticos más avanzados no se basen en sólidos perfectamente cristalinos ni en líquidos convencionales, sino en estos estados fronterizos, donde unos pocos átomos inmóviles bastan para cambiar por completo el destino de la materia que los rodea.▪️
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Información facilitada por la Universidad de Nottingham
Fuente: Christopher Leist, Sadegh Ghaderzadeh, Emerson C. Kohlrausch, Johannes Biskupek, Luke T. Norman, Ilya Popov, Jesum Alves Fernandes, Ute Kaiser, Elena Besley, and Andrei N. Khlobystov. Stationary Atoms in Liquid Metals and Their Role in Solidification Mechanisms. ACS Nano (2025). DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c08201
