Durante siglos, el vidrio ha sido parte de nuestras vidas. Está en las ventanas, los lentes, los móviles, el arte y la ciencia. Pero, curiosamente, no entendemos del todo cómo funciona a nivel atómico. Aunque parezca increíble, la física del vidrio sigue siendo un enigma. Sabemos que no es exactamente un sólido ni un líquido, pero ¿entonces qué es? ¿Cómo describirlo con las leyes de la física si no encaja en ninguna categoría clásica? Esta duda ha desconcertado a generaciones de científicos, a pesar de haber alcanzado logros como las lentes antirreflejos.
Ahí es donde entra el físico Koun Shirai, de la Universidad de Osaka. En un artículo recién publicado en la revista Foundations, Shirai propone un giro radical: dice que el vidrio no está fuera del equilibrio como se creía, sino que sí lo está, solo que bajo una nueva definición. Esto le permite aplicar la termodinámica clásica al vidrio como si fuera cualquier otro sólido. Y lo más provocador: asegura que el “desorden” de su estructura puede entenderse como una forma válida de orden si se cambia el enfoque.
La vieja paradoja del orden en el desorden
Los científicos han intentado describir al vidrio usando los llamados parámetros de orden, una herramienta clave de la termodinámica para identificar cambios de fase o estados materiales. En cristales, es sencillo: sus átomos están dispuestos en patrones repetitivos, y eso permite definir parámetros claros. Pero en los vidrios, los átomos están desordenados, sin simetría evidente. ¿Cómo definir orden en algo que parece caótico?
La dificultad de esta tarea ha llevado a décadas de propuestas fragmentadas: desde funciones de correlación hasta conceptos inspirados en los vidrios de espín. Pero ninguna era del todo satisfactoria. Como resume Shirai: "la dificultad es cómo encontrar orden en sistemas desordenados". Lo que él hace es volver a la raíz del problema: redefinir el propio concepto de equilibrio.
Una nueva definición para un viejo problema
Shirai recurre a una idea formulada por Gyftopoulos y Beretta: un sistema está en equilibrio si no se puede extraer trabajo de él sin afectar el entorno. Esta definición, más general y rigurosa, le permite afirmar algo polémico: el vidrio sí está en equilibrio, aunque su estructura no sea periódica como la de los cristales.
Bajo esta lógica, propone una idea central: los parámetros de orden del vidrio son las posiciones medias de sus átomos a lo largo del tiempo. Y añade, de forma explícita: “los parámetros de orden de un vidrio son las posiciones atómicas en equilibrio”. Esto unifica su descripción con la de los sólidos tradicionales, lo cual es un gran paso conceptual en la física del estado sólido.
No es el proceso, es la estructura
Otra de las claves del artículo es separar el estudio del vidrio como proceso (cómo se forma, cómo se enfría, qué historia térmica tiene) del estudio del vidrio como estado material. Esto es importante porque muchos estudios previos mezclaban ambos enfoques. Shirai afirma que el enfoque debe centrarse en el estado congelado del material, no en el proceso de transición.
En ese estado congelado, las posiciones atómicas tienen suficiente estabilidad como para considerarse constantes en el tiempo. Por eso, según Shirai, pueden utilizarse como variables de estado en termodinámica. Es decir, sirven para describir el material sin necesidad de conocer toda su historia previa.
Un material, muchos órdenes posibles
Uno de los aspectos más originales del trabajo es cómo aborda la diversidad interna del vidrio. A diferencia de los cristales, que tienen una estructura única bien definida, los vidrios pueden tener muchas configuraciones atómicas diferentes aunque su composición sea la misma. Esto complica la idea de un único parámetro de orden.
El desorden no es caos, sino “información que falta”
Shirai explica que esa pluralidad no es un problema, sino parte de la naturaleza del vidrio. De hecho, sugiere que cada propiedad física puede relacionarse con un conjunto distinto de posiciones atómicas, lo que lleva a la existencia de múltiples parámetros de orden. Esta visión no solo resuelve paradojas previas, sino que abre nuevas vías para el estudio de vidrios con métodos como el aprendizaje automático, donde los datos estructurales pueden usarse como base para predecir comportamientos.
Información, orden y entropía
El artículo también propone un cambio en cómo pensamos el desorden. Tradicionalmente, en termodinámica, el desorden se asocia a la entropía. Pero Shirai prefiere una visión más moderna, tomada de la teoría de la información: el desorden no es caos, sino “información que falta”.
Desde esta perspectiva, el vidrio no es un material desordenado, sino uno cuya estructura contiene información que no es evidente a simple vista. Al promediar las posiciones atómicas durante un tiempo suficiente, esa información se hace estable. Y eso permite definirla como orden real, aunque no sea periódico ni simétrico.
Consecuencias prácticas y conceptuales
La propuesta de Shirai tiene implicaciones importantes. Por un lado, permite aplicar el formalismo termodinámico al vidrio, algo que antes era muy limitado. Por otro, pone en cuestión toda una tradición en física del estado sólido que daba por hecho que solo los materiales periódicos podían tener orden.
La dificultad es cómo encontrar orden en sistemas desordenados
Además, su enfoque tiene consecuencias para la industria: al permitir describir el estado del vidrio en términos precisos, se abren nuevas posibilidades para mejorar procesos de fabricación y optimizar propiedades físicas. También puede ayudar a entender materiales biológicos o funcionales que tienen estructuras no periódicas pero estables.
Finalmente, su teoría sugiere que toda la física de materiales necesita revisar cómo define el equilibrio. Si se acepta que los vidrios están en equilibrio dentro de ciertos límites temporales, entonces también se puede reconsiderar el estatus de muchos otros materiales que presentan fenómenos similares.
Referencias
- Shirai, Koun. Nature of the Order Parameters of Glass. Foundations 2025, 5(1), 9. https://doi.org/10.3390/foundations5010009.
