Dynamics in orientationally disordered solids

Resumen

La principal característica de la dinámica de sistemas vítreos viscosos, es su universalidad en la diversidad. Su origen es uno de los mayores desafíos de la física de la materia condensada y de la ingeniería de materiales en el siglo XXI. La fenomenología típica de las fases vítreas se observan cerca de la transición vítrea en líquidos aubenfriados de bajo peso molecular, polímeros, fluidos coloidales, así como en los sólidos con fases orientacionalmente desordenadas. La imposibilidad de explicar las causas del gran aumento del tiempo de relajación al enfriar un líquido, constituye uno de los problemas más importantes no resueltos en materia condensada. Con el objetivo de dar respuesta a dicha interrogante, se han propuesto modelos termodinámicos y dinámicos que han resultado inconsistentes. En esta tesis nos centramos en dicha problemática, estudiando la dinámica orientacional de algunos materiales que al ser enfriados pueden conservar un orden traslacional mientras que se conserva el desorden orientacional de las moléculas que los forman. Dichas fases se conocen como fases plásticas u orientacionalmente desordenadas (OD). El trabajo presentado en esta tesis amplía el conocimiento de la dinámica de dichas fases, un tema de investigación cuyo interés ha aumentado durante las últimas décadas. Se ha dedicado una atención especial a las ecuaciones fenomenológicas que describen la dependencia del tiempo de relajación con la temperatura. El estudio se ha llevado a cabo mediante el uso de espectroscopía dieléctrica de banda ancha, así como mediante el uso de técnicas experimentales complementarias. Se ha introducido un nuevo método para el estudio de la dinámica de los sistemas que dan lugar a fases vítreas. El método ha sido validado y discutido. Los resultados de esta tesis se presentan divididos en dos temas, por un lado, la dinámica de compuestos puros y de los cristales mixtos y, por otro, el análisis mediante el método derivativo aplicado a los diferentes modelos físicos existentes. En el primer tema nos centramos en la dinámica de los compuestos puros y los cristales mixtos formados por cicloheptanol y ciclooctanol, así como la dinámica de la relajación alfa en 1-ciano-adamantano y sus mezclas con 1-cloro-adamantano. El segundo tema se divide en dos grupos de modelos, los modelos lineales y no lineales. En los modelos lineales se muestra la aplicación del procedimiento de derivativo en los cristales líquidos (CL) y las fases OD. También se discuten los resultados relativos a los casos de la resina líquida (EPON828), la mezcla neopentil-alcohol y neopentilglicol, el carbonato de propileno, así como el CL isooctilcianobifenil. Se discute también la existencia de posibles correlaciones empíricas entre uno de los modelos lineales con el patrón universal para la parte de alta frecuencia de la curva de pérdidas dieléctricas de la relajación primaria para las fases CL y OD. En la parte final se muestra que la forma de la ecuación introducida recientemente por Mauro et al. no permite la linearización mediante el método derivativo. A diferencia de los modelos anteriores, los diferentes parámetros no están correlacionados con la pendiente y el origen de coordenadas de una función lineal. Para resolver este problema, hemos introducido el concepto del espacio entálpico. Se analiza también la existencia de cambios de comportamiento dinámicos y se aportan descripciones cuantitativas. Se muestra también un nuevo procedimiento para detectar los cambios dinámicos de una manera fácil, que permite incluso detectar aquéllos que son obviados mediante el método clásico de Stickel.