Probablemente sepas distinguir entre los tres estados de la materia más famosos: sólido, líquido y gaseoso. Cuando está muy fría, el agua es sólida y según se va calentando pasa a estado líquido para, posteriormente, a una temperatura aproximada a los 100 grados centígrados, pasar a estado gaseoso. En la escuela, con más o menos matices, lo explicaban de esta manera. Sin embargo, no se hablaba tanto del cuarto estado de la materia, el plasma. El término lo acuñó el físico Irving Langmuir en 1928 y esencialmente definía ese gas ionizado dotado de una alta conductividad eléctrica. Este estado de la materia no solo se puede encontrar a millones de kilómetros de distancia, sino que también existe en la Tierra.
Los Estados de Agregación de la Materia
La materia puede presentarse en diversos estados de agregación, cada uno con características distintivas en cuanto a la organización y el movimiento de sus partículas. A continuación, se detallan los estados más conocidos:
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Estado Sólido: En este estado, los átomos que conforman la materia están fuertemente cohesionados y apenas cambian de forma o de volumen. Las partículas están unidas por intensas fuerzas de atracción que impiden que se muevan de lugar. Tienen forma y volumen definidos, aunque pueden dilatarse (aumentar de volumen al calentarse) o contraerse (disminuir de volumen al enfriarse).
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Estado Líquido: La cohesión entre moléculas es menor, la materia es fluida y ocupa un volumen constante y la forma del contenedor. Las partículas están unidas con fuerzas un poco más débiles que en los sólidos, por eso pueden moverse de lugar. Tienen volumen definido. Su forma se adapta al recipiente que los contiene.
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Estado Gaseoso: Las moléculas no están unidas, apenas se atraen entre sí. En este estado la materia, muy poco densa, no tiene ni forma ni volumen fijo. Las partículas casi no tienen fuerzas de atracción que las acerquen entre sí. Se mueven rápidamente y en cualquier dirección.
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Estado Plasmático: Es un estado parecido al gas, pero compuesto por átomos ionizados, donde los electrones circulan libremente.
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Estado Condensado de Bose-Einstein: Fue observado por primera vez en 1955. Son superfluidos gaseosos enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Para una comparación más clara, se presenta la siguiente tabla:
| Estado de Agregación | Cohesión entre Partículas | Movimiento de Partículas | Forma | Volumen |
|---|---|---|---|---|
| Sólido | Fuertes fuerzas de atracción | Impiden el movimiento de lugar | Definida | Definido |
| Líquido | Fuerzas más débiles que en sólidos | Pueden moverse de lugar | Se adapta al recipiente | Definido |
| Gaseoso | Casi nulas fuerzas de atracción | Se mueven rápidamente en cualquier dirección | Sin forma fija | Sin volumen fijo |
| Plasma | Partículas cargadas, interacciones electromagnéticas | Átomos ionizados, electrones circulan libremente | Sin forma fija | Sin volumen fijo |
Definición y Características del Plasma
El plasma es también llamado el cuarto estado de la materia. El plasma consiste en un gas ionizado, es decir, está compuesto por átomos que no son eléctricamente neutros (iones). Es decir que en el plasma se encuentra una mezcla de núcleos positivos y electrones libres. En física y química, se denomina plasma a un gas constituido por partículas cargadas de iones libres y cuya dinámica presenta efectos colectivos dominados por las interacciones electromagnéticas de largo alcance entre las mismas. Con frecuencia se habla del plasma como un estado de agregación de la materia con características propias, diferenciándolo de este modo del estado gaseoso, en el que no existen efectos colectivos importantes. Los átomos de este estado se mueven libremente.
El plasma es materia con niveles de energía elevados e inestables que se caracteriza, entre otras cosas, por una gran conductividad eléctrica. El plasma está formado por igual número de cargas positivas y negativas, lo que anula la carga total del sistema. En tal caso se habla de un plasma neutro o casi-neutro. Los plasmas más comunes son los formados por electrones e iones.
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Ocurrencia del Plasma
El plasma es un estado de la materia extremadamente abundante en el universo. Es el estado en el que se encuentra la mayoría de la materia visible en el medio interplanetario, interestelar e intergaláctico, así como en las estrellas y los vientos solares.
Llamado cuarto estado de agregación de la materia (tras los estados sólido, líquido y gaseoso), en la Tierra hay plasma de forma natural en ciertas capas de la atmósfera como la magnetosfera y la ionosfera, así como en las auroras y vientos polares, los rayos y en el denominado fuego de San Telmo.
Parámetros y Modelos Físicos del Plasma
Puesto que existen plasmas en contextos muy diferentes y con características diversas, la primera tarea de la física del plasma es definir apropiadamente los parámetros que deciden el comportamiento de un plasma. El conocimiento de estos parámetros permite al investigador escoger la descripción más apropiada para su sistema.
Parámetros Fundamentales
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La longitud de Debye o de apantallamiento electromagnético: Este parámetro proporciona una medida de las longitudes típicas en un plasma.
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La frecuencia de plasma (ωp): Describe los tiempos característicos del plasma. Supóngase que en un plasma en equilibrio y sin densidades de carga se introduce un pequeño desplazamiento de todos los electrones en una dirección. Éstos sentirán la atracción de los iones en la dirección opuesta, se moverán hacia ella y comenzarán a oscilar en torno a la posición original de equilibrio. La frecuencia de tal oscilación es lo que se denomina frecuencia de plasma.
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La distribución de velocidades: Por lo general, las partículas de una determinada especie localizadas en un punto dado no tienen igual velocidad: presentan por el contrario una distribución que en el equilibrio térmico es descrita por la distribución de Maxwell-Boltzmann. Una medida de tal dispersión es la velocidad cuadrática media que, en el equilibrio, se denomina también velocidad térmica. Es frecuente, aunque formalmente incorrecto, hablar también de velocidad térmica y de temperatura en plasmas lejos del equilibrio termodinámico. En tal caso, se menciona la temperatura que correspondería a una velocidad cuadrática media determinada.
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El parámetro de plasma (Γ): Indica el número medio de partículas contenidas en una esfera cuyo radio es la longitud de Debye (esfera de Debye). La definición de plasma, según la cual la interacción electromagnética de una partícula con la multitud de partículas distantes domina sobre la interacción con los pocos vecinos próximos, puede escribirse en términos del parámetro de plasma como: hay un gran número de partículas contenidas en una esfera de Debye.
Modelos para el Estudio del Plasma
Tras conocer los valores de los parámetros descritos en la sección anterior, el estudioso de los plasmas deberá escoger el modelo más apropiado para el fenómeno que le ocupe. Las diferencias entre diferentes modelos residen en el detalle con el que describen un sistema, de modo que se puede establecer así jerarquía en la que descripciones de nivel superior se deducen de las inferiores tras asumir que algunas de las variables se comportan de forma prescrita.
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Modelos Numéricos Particle-In-Cell (PIC): El máximo detalle en el modelado de un plasma consiste en describir la dinámica de cada una de sus partículas según la segunda ley de Newton. Para hacer esto con total exactitud en un sistema de N partículas habría que calcular del orden de N2 interacciones. Sin embargo, gracias al carácter colectivo de los plasmas, reflejado en la condición de plasma, es posible una simplificación que hace mucho más manejable el cálculo. Esta simplificación es la que adoptan los llamados modelos numéricos Particle-In-Cell (PIC; Partícula-En-Celda): el espacio del sistema se divide en un número no muy grande de pequeñas celdas. En cada instante de la evolución se cuenta el número de partículas y la velocidad media en cada celda, con lo que se obtienen densidades de carga y de corriente que, insertadas en las ecuaciones de Maxwell permiten calcular los campos electromagnéticos.
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Modelos Cinéticos (Ecuación de Boltzmann): Cuando la densidad de partículas del plasma es suficientemente grande es conveniente reducir la distribución de las mismas a una función de distribución promediada. Ésta representa la densidad de partículas contenida en una región infinitesimal del espacio de fases, es decir el espacio cuyas coordenadas son posiciones y cantidades de movimiento. La ecuación que gobierna la evolución temporal de las funciones de distribución es la ecuación de Boltzmann. Los modelos físicos cinéticos suelen emplearse cuando la densidad numérica de partículas es tan grande que un modelado discreto resulta inabordable.
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Modelos de Fluidos (Ecuaciones de Navier-Stokes): Para plasmas a bajas temperaturas, en los que estudiamos procesos cuyas velocidades características son mucho mayores que la velocidad térmica del plasma, podemos simplificar el modelo y asumir que todas las partículas de una especie en un punto dado tienen igual velocidad o que están suficientemente cerca del equilibrio como para suponer que sus velocidades siguen la distribución de Maxwell-Boltzmann con una velocidad media dependiente de la posición. Entonces se puede derivar unas ecuaciones de fluidos para cada especie que, en su forma más general, son llamadas ecuaciones de Navier-Stokes.
Aplicaciones del Plasma
El plasma es muy reactivo químicamente y puede interactuar con superficies, líquidos o microorganismos, lo que lo convierte en una herramienta versátil en diversas aplicaciones industriales y tecnológicas.
Limpieza Microfina
Un ejemplo de limpieza microfina se observa en el tratamiento de metal y vidrio: cuando el plasma entra en contacto con el metal o el vidrio, provoca una limpieza microfina. Incluso las superficies muy delicadas pueden quedar completamente libres de sustancias no deseadas. La limpieza microfina con plasma elimina hasta las partículas más pequeñas de polvo del sustrato tratado. Gracias a la reacción químico-física en el rango nanométrico, se consiguen superficies de alta calidad y con una definición precisa que reúnen las mejores condiciones para su posterior procesamiento. La limpieza fina de las superficies antes de unirlas, recubrirlas, pintarlas o imprimirlas posteriormente permite utilizar sistemas modernos sin disolventes o con base acuosa. Se puede prescindir por completo del pretratamiento adicional con imprimadores químicos o procesos mecánicos, como el cepillado, lo que significa que se pueden evitar las emisiones de COV (compuestos orgánicos volátiles) durante la producción. La limpieza con plasma atmosférico también es un proceso en seco.
Activación de Superficies y Mejora de la Humectabilidad
El pretratamiento con plasma también puede cambiar las propiedades de las superficies de los materiales cuando entran en contacto con una gran variedad de plásticos: Los grupos que contienen oxígeno y nitrógeno se introducen en las superficies de los plásticos, en su mayoría no polares, a través del contacto con el plasma, y estos aumentan considerablemente la energía libre superficial, lo que se conoce como activación. Esto mejora notablemente la humectabilidad del sustrato y, al mismo tiempo, incrementa la adherencia.