La estructura molecular de sólidos normales vs. amorfos. Imagen cortesía Liquidmetal Technologies

Palos de golf de alto rendimiento. Cuchillos ultra afilados. Fibra óptica superior para telecomunicaciones. Incluso, materiales livianos para futuras astronaves.
¿Qué tienen todas estas cosas en común? Pueden ser fabricadas usando líquidos “supercongelados”: materiales líquidos que son enfriados bajo el punto de congelación normal, mediante un método especial, son mantenidos en estado líquido.

Evitando la congelación normal, se puede conseguir que el líquido se transforme en distintas clases de sólidos. En la congelación normal, las moléculas del líquido se colocan ordenadamente en una red cristalina, como soldados en formación. Así es como el hielo, los metales normales, y de hecho la mayoría de los sólidos están formados. Los líquidos supercongelados solidifican de diferente forma.

Con el enfriamiento, se espesan y eventualmente dejan de fluir – como un líquido “en pausa”. El resultado es un sólido cuyas moléculas se mantienen mezcladas en una red amorfa semi-aleatoria. Esta estructura molecular, más comúnmente encontrada en cristales de ventanas pero posible en metales, también, tiene propiedades especiales. La aleación de metales amorfos, por ejemplo, puede ser dos veces más fuerte y tres veces más elástico que el acero.|

Hay un gran potencial para los productos realizados a partir de estos líquidos, pero son notoriamente difíciles de fabricar.

Un líquido supercongelado es un delicado e inestable estado de la materia. Él desesperadamente “quiere” cristalizar en un sólido normal. Todo lo que necesita es un lugar donde comenzar la cristalización – tal como la superficie cristalina de un muro de contención o incluso una mota de polvo - y el líquido de pronto se congelará en un sólido. En otras palabras, trabajar con líquidos supercongelados es como jugar con fuego: son propensos a “romperse” de pronto y arruinar el número.

Increíblemente, fabricantes de La Tierra han conseguido hacer algunos productos a partir de estos líquidos de todas formas: componentes de ordenadores, palos de golf, raquetas de tenis. Hay incluso un colector de viento solar a bordo de la astronave Génesis de NASA fabricado con metales amorfos supercongelados.

Una muestra de las cosas que los fabricantes pueden mejorar usando fluidos supercongelados. Imagen cortesía Liquidmetal Technologies

Estos elementos son solo el principio. Cuando los ingenieros aprendan más acerca de la física básica y propiedades de los fluidos supercongelados, estarán capacitados para hacer más cosas con ellos. Y aquí es donde la Estación Espacial Internacional (ISS) puede ayudar. En la ingravidez de la órbita terrestre, es posible estudiar los fluidos sin mantenerlos en contenedores que podrían disparar cristalizaciones prematuras.

Edwin Ethridge, un científico de materiales del Centro de Vuelo Espacial Marshall de NASA, y el Prof. William Kaukler de la Universidad de Alabama en Huntsville están trabajando en un modo de medir la viscosidad de los fluidos no contenidos en ningún recipiente a bordo de la ISS. Su idea es simple: Si dos gotas flotantes de un líquido se tocan entre sí, se fundirán para formar una única gota mayor. La velocidad de esta unión está parcialmente controlada por la viscosidad – el agua se unirá mucho más rápido que la miel, por ejemplo. Por esto, mirar esta velocidad permitirá a los científicos medir la viscosidad del líquido.

Unas buenas medidas de viscosidad son críticas para trabajar con fluidos supercongelados, los cuales se espesan radicalmente cuando se enfrían. La fricción entre moléculas en uno de estos fluidos enfriados puede dispararse más de un cuatrillón de veces (1015) que si solidifica. Sin un gráfico trazado de cómo ocurre este espesamiento con relación a las temperaturas de enfriamiento, los ingenieros no pueden fácilmente moldear estos líquidos en formas útiles.

La velocidad a la cual las gotas se unen depende de su viscosidad.

Para comprender el por qué, imagina qué ocurriría si diseñas un molde con cantidad de rincones y grietas para que este trabaje bien con líquidos supercongelados del espesor del aceite vegetal. Pero cuando se vierte el líquido supercongelado en el molde, enfriándolo ligeramente, causa una inesperada complicación con mil pliegues – transformando el líquido en espeso como la miel. El objeto producido a la vista es más similar al arte moderno que a productos vendibles.

Obtener los datos para hacer las curvas de viscosidad vs. temperatura es la última etapa de la investigación de Ethridge y Kaukler. Su próximo experimento, llamado Medidas de Viscosidad de Fluidos Fusionados (en inglés Fluid Merging Viscosity Measurements FMVM), es una prueba del concepto. Esto mostrará como las medidas de viscosidad de fluidos no contenidos en recipientes pueden ser realizadas en el entorno de microgravedad de la ISS.

La física es bastante dura, pero los científicos tienen que superar otro problema también: debido a que las salas para envío de equipo de investigación hacia la estación están limitadas mientras la flota de la lanzadera está en tierra, los investigadores tenían que encontrar una forma para hacer sus experimentos usando cosas que puedan ser introducidas dentro del cohete de suministros Russian Progress o que ya se encontrara a bordo de la estación.
'He seleccionado 8 líquidos para probar', dice Ethridge. 'Han sido cargados en jeringuillas que serán lanzadas en un cohete Progress hacia la estación espacial'. Uno de ellos es miel normal. Aunque esta solo cristaliza muy lentamente, la miel es en realidad un líquido supercongelado. Funciona perfectamente para probar que este método de “gotas flotantes” puede medir con precisión la viscosidad de un líquido.

La fuerza y elasticidad de los sólidos amorfos ('Glassy Alloys' en el dibujo) son superiores a la mayoría de otros materiales.

El experimento se desarrollará así: Miel (o alguno de los otros líquidos) será extraída de su jeringuilla y colocada como finos hilos. 'En la estación espacial están disponibles hilos de Nomex y pueden ser usados para confinar y controlar las gotas de líquido en órbita. El hilo de soldar fino puede ser usado también para manipular las gotas', comenta Ethridge. Con una gota aferrada a cada hilo o a cada dos, un miembro de la tripulación podría acercarlas lentamente, permitiendo a las gotas tocarse suavemente y fundirse. Una video cámara guardada a bordo de la estación grabará qué sucede cuando las gotas lentamente forman una figura de cacahuete y finalmente una sola esfera.

De vuelta en la tierra, los investigadores examinarán la secuencia fotograma a fotograma para determinar exactamente cómo de rápido se funden las gotas. Debido a que la viscosidad de las muestras de prueba es ya conocida, los investigadores pueden comparar el valor medido con el valor real para ver si están en la pista correcta.

Los investigadores actualmente preparan para llevar el experimento FMVM algún tiempo durante la Expedición 8, la cual está programada para comenzar a finales de Octubre. Su trabajo podría concluir en una nueva forma de conocer la viscosidad de líquidos supercongelados. Y después de esto... no se sabe, pero los palos de golf y los artículos de cocina son solo el comienzo.