Decir que hay tres o (incluso seis estados de la materia) es como decir que los organismos son masculinos o femeninos o que tenemos cinco sentidos. Son categorías útiles para muchos propósitos, pero no tienen nada de fundamental. A pesar de lo que algunos han dicho, estas categorizaciones simples fallan incluso en la vida cotidiana. Así como los animales cotidianos como los caracoles y las babosas no pueden clasificarse como machos o hembras (esta imagen lo dice todo: hermafrodita) y su sentido de equilibrio / aceleración (o temperatura o hambre) no encaja en el paradigma de los cinco sentidos, existen muchos estados de la materia que no encajan bien en las categorías de sólidos, líquidos o gases.
En mi escuela secundaria, se enseñaban “tres estados de la materia” como un hecho de la naturaleza. ¡Claramente, esto se hizo por simplicidad ya que podría pasar toda una vida estudiando todos estos diferentes estados de la materia (y las personas lo hacen)! Sin embargo, desearía que hubieran sido menos doctrinales y dije “vamos a estudiar estos tres estados porque describen bien muchas sustancias en su vida cotidiana, pero hay muchos otros estados”. En mi opinión, es una tontería intentar enumera los estados de la materia porque hay muchas maneras diferentes en que la materia puede organizarse y muchos tipos diferentes de ordenamiento que pueden surgir.
Primero, no hay un tipo de sólido. Hay muchas estructuras cristalinas diferentes que tienen propiedades diferentes. Un ejemplo cotidiano de esto es la forma de grafito de carbono (mina de lápiz) y la forma de diamante de carbono, que tienen estructuras a nanoescala muy diferentes (alótropos de carbono) y diferencias muy obvias. Ciertas formas sólidas pueden tener diferentes propiedades en diferentes direcciones, por ejemplo, el grafito se desliza muy fácilmente en el plano de las hojas, pero no en la dirección perpendicular a las hojas. El hierro también adopta comúnmente diferentes estructuras dependiendo de cómo se haya procesado, lo cual es importante para la fabricación de acero (acero). Si el agua se congela muy rápidamente, forma hielo amorfo denso y tiene más de diez formas cristalinas diferentes bajo diferentes temperaturas y presiones. Los sólidos moleculares como el azúcar y el hielo tienen estructuras bastante diferentes a nanoescala que los sólidos iónicos como la sal o los sólidos covalentes como el cuarzo o el diamante, lo que da como resultado diferentes propiedades macroscópicas. La sal en una sartén y el azúcar en una sartén pueden parecer similares, pero el azúcar se comportará de manera diferente cuando enciendas el fuego (las moléculas de sacarosa comienzan a descomponerse químicamente antes de que se derrita; no puedes producir sacarosa líquida, ver Caramelización).
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Los cristales líquidos (cristal líquido) tienen un orden similar al líquido en algunas direcciones y un orden sólido en otras. Probablemente esté leyendo este texto en una pantalla de cristal líquido. Las bicapas lipídicas, que son componentes principales de las membranas celulares, pueden mostrar el orden de los cristales líquidos.
Los imanes de refrigerador bajos pueden considerarse un estado distinto de la materia, ya que exhiben un orden magnético: ferromagnetismo. Claro que puede decir que son sólidos, pero yo diría que el ordenamiento magnético es un ordenamiento espacial importante y relacionado con él. El ferromagnetismo desaparece cuando el estado magnético alcanza su temperatura de “fusión” (temperatura de Curie), análoga a la fusión del hielo.
Los fluidos supercríticos, que son fluidos a temperaturas y presiones más allá de las cuales no hay fases distintas de gas o líquido, no son tan exóticos. Ocurren en respiraderos hidrotermales en el fondo del océano, en algunos procesos de limpieza en seco y en muchos procesos industriales.
En la misma línea, diferentes estructuras electrónicas (metal, semimetal, semiconductor, aislante) pueden considerarse diferentes estados de la materia (estructura de banda electrónica). Los conductores bidimensionales, como el grafeno, tienen un comportamiento electrónico muy diferente al de los conductores normales.
Luego, por supuesto, hay condensados de Bose-Einstein, superconductores, superfluidos, plasma de quark-gluón y material de estrellas de neutrones. Algunos de estos ahora se pueden hacer de cosas que puede comprar en línea por menos de $ 100 (superconductor), mientras que otros requieren un laboratorio muy sofisticado (condensado de Bose-Einstein), mientras que otros son probablemente imposibles de hacer en la Tierra (material de estrella de neutrones).