A partir de ondas de Faraday excitadas en la superficie del agua a la que se añade un extracto vegetal, la escina, una investigación liderada por la Universidad Complutense de Madrid ha encontrado una nueva forma de sólido, ordenado y estático, pero constituido en realidad por un líquido desordenado en continuo movimiento. El hallazgo, publicado en Nature Communications, ha sido denominado cristal hidrodinámico por sus descubridores y supone la descripción de un nuevo estado de la materia.

Una investigación internacional liderada por la Universidad Complutense de Madrid (UCM) y publicada hoy en Nature Communications describe por primera vez un nuevo estado de la materia: los cristales hidrodinámicos, constituidos por un fluido en movimiento, aunque ordenados como en un estado sólido cristalino y estático.

“El descubrimiento de este exótico estado de la materia transporta nuestra imaginación a múltiples panoramas, desde la comprensión de las leyes fundamentales que gobiernan la estructura de la materia a cualquier escala hasta usos en nuevas tecnologías en que los nuevos cristales hidrodinámicos puedan utilizarse como plantillas moldeables de nuevos materiales biocompatibles”, destaca Francisco Monroy, investigador del departamento de Química Física de la UCM.

Este nuevo tipo de cristal se obtiene cuando las ondas excitadas en la superficie del agua -ondas de Faraday formadas cuando el líquido vibra, como en una coctelera- se ordenan inmediatamente tras añadir un aditivo especial llamado escina.

“En condiciones habituales, las ondas aparecerán muy desordenadas en nuestra «coctelera», pero la mera presencia del aditivo es suficiente para congelar las ondas en una especie de patrón, una tesela perfecta, como si fuera un cristal sólido, pero de agua líquida”, explica Monroy.

Además de la UCM, en el estudio han participado la Universidad Francisco de Vitoria y la Universidad Autónoma de México.

Ondas detenidas por extracto de frutos secos

Para llevar a cabo el estudio, Monroy se remonta a una idea gestada hace veinte años durante una estancia postdoctoral en el Laboratorio de Física de Sólidos de Orsay, aunque se materializó ahora mientras finalizaba la tesis de Mikheil Kharbedia, primer autor de este trabajo.

“Utilizando un altavoz para excitar las ondas y unos contenedores llenos de agua con una pequeña cantidad de escina disuelta, fabricamos un sencillo sistema capaz de generar un patrón de ondas de Faraday perfectamente ordenadas en la superficie del agua, el cristal hidrodinámico. Sin embargo, en ausencia del aditivo, la superficie aparecía completamente desordenada”, relata Monroy.

Este nuevo tipo de cristal se obtiene cuando las ondas excitadas en la superficie del agua se ordenan inmediatamente tras añadir un aditivo especial llamado escina

Formación de cristales hidrodinámicos. Imagen reales y esquemas de (a) la superficie de la interfase aire agua (arriba), y (b) la superficie de agua cubierta con escina (abajo). Dos ordenaciones son observadas, hexagonal cuando 〖ω_0<ω〗_c, y cuadrada en el régimen de ondas capilares ω_0>ω. El orden es inducido por el aumento de la rigidez de la superficie bajo los efectos de la presencia de una densa monocapa de escina

La escina es un extracto natural obtenido de los frutos secos y utilizado como “superalimento” en dietas de reducción del colesterol. “Esta biocompatibilidad será crucial para futuras aplicaciones de los nuevos «cristales de agua» en biotecnología”, añade el investigador de la UCM.

Aunque la pandemia de COVID-19 condicionó el plan de experimentos, teoría y simulación por ordenador necesarios para comprobar estos resultados, gracias al esfuerzo conjunto de los investigadores de las tres instituciones involucradas se ha podido publicar el hallazgo rápidamente en una revista de alto impacto.

“Presiento que el nuevo concepto y sus aplicaciones prácticas se encontrarán muy pronto incorporados a los libros de texto como un paradigma del conocimiento moderno. En concreto, la física del cristal hidrodinámico y de los paquetes de ondas de Faraday que lo constituyen suponen el equivalente clásico de los cristales ordinarios y las ondas de materia de “De Broglie” estudiados en los libros de física moderna”, concluye Monroy.

Referencia bibliográfica: Kharbedia, M., Caselli, N., Herráez-Aguilar, D. et al. “Moulding hydrodynamic 2D-crystals upon parametric Faraday waves in shear-functionalized water surfaces”. Nat Commun 12, 1130 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21403-0