El estudio y caracterización de materiales fuera del equilibrio termodinámico como el cemento es un problema abierto[1,2,3]. En general, la química del cemento depende fuertemente de las fracciones molares del CaO (óxido de calcio), el SiO2 (dióxido de silicio) y el Al2O3 (óxido de aluminio) y los eventuales productos luego de el proceso de calentamiento de estos reactivos. De manera fundamental, hay dos fenómenos fuertemente involugrados, por un lado las reacciones químicas involucradas y por otro los procesos de difusión para sistemas fuera del equilibrio termodinámico[5]. Desde los años 80s se han propuesto diferentes alternativas para atacar el problema conocido como reacción-difusión[6]. Para la componente asociada a la cinética química se han utilizado propuestas que en cierta medida son bien conocida [5, 6] sin embargo, para la componente de difusión únicamente se a logrado describir usando aproximaciones sencillas como la ecuación de difusión de Fick[7].
Teorías apoyadas principalmente en formulaciones basadas en conceptos de equilibrio termodinámico han logrado importantes avances en esta materia [8, 9, 10]. Sin embargo, estas se encuentran intrínsecamente ligadas a una constricción fundamental asociada al equilibrio termodinámico [11].
Para atacar este problema fundamental, el equipo de Monte Caldera pertenece a un grupo de investigación que estudia la relajación estructural de sólidos amorfos. Nuestra investigación es conocida como la Teoría de la Ecuación Generalizada de Langevin fuera del Equilibrio (NESCGLE por sus siglas en inglés)[11, 12, 13, 14]. La teoría NE-SCGLE, propuesta hace poco más de una década, ha sido utilizada para estudiar una gran variedad de sistemas en desequilibrio, prediciendo con éxito diversas características de su relajación. La teoría ha permitido describir la formación de vidrios y geles a partir de la solidificación de líquidos fuera de equilibrio, así como la transformación de líquidos en vidrios de esfera dura. Además, la teoría ha predicho la existencia de nuevas fases como geles y vidrios porosos, y ha explicado la interacción entre la descomposición espinodal, la gelificación y la transición vítrea.
La teoría NE-SCGLE se ha aplicado al estudio de la formación de diversos materiales, desde geles y vidrios hasta materiales duros como el hierro y el acero. Además, la teoría se ha extendido a sistemas multicomponentes para estudiar el envejecimiento de materiales "dobles". La capacidad de la teoría para predecir nuevas fases y diagramas de fase dependientes del tiempo la convierte en una herramienta valiosa para la investigación de materiales.
[1] Ioannidou, K., Kanduč, M., Li, L. et al. The crucial effect of early-stage gelation on the mechanical properties of cement hydrates. Nat Commun 7, 12106 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms12106
[2] Sumra, Y., Payam, S. & Zainah, I. The pH of Cement-based Materials: A Review. J. Wuhan Univ. Technol.-Mat. Sci. Edit. 35, 908–924 (2020). https://doi.org/10.1007/s11595-020-2337-y
[3] Flatt, R. J., Roussel, N., & Cheeseman, C. R. (2012). Concrete: An eco material that needs to be improved. Journal of the European Ceramic Society, 32(11), 2787-2798. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2011.11.012
[4] Modelling the cement process and cement clinker quality Bodil Hökfors, Matias Eriksson, and Erik Viggh Advances in Cement Research 2014 26:6, 311-318. https://doi.org/10.1680/adcr.13.00050
[5] J. Keizer, Statistical Thermodynamics of Non-Equilibrium Processes (Springer-Verlag, 1987).
[6] Keizer, J., & Medina-Noyola, M. (1982). Spatially nonlocal fluctuation theories: Hydrodynamic fluctuations for simple fluids. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 115(3), 301-338. https://doi.org/10.1016/0378-4371(82)90027-9
[7] W.T. Coffey, Y.P. Kalmykov and J.T. Waldron, The Langevin Equation with Applications to Stochastic Problems in Physics, Chemistry and Electrical Engineering, 2nd Revised ed. (World Scientific Publishing Company, 2004).
[8] W. Götze, in Liquids, Freezing and Glass Transition, edited by J. P. Hansen, D. Levesque, and J. Zinn-Justin (North- Holland, Amsterdam, 1991).
[9] L. Yeomans-Reyna and M. Medina-Noyola, Phys. Rev. E 64, 066114 (2001). doi:10.1103/PhysRevE.64.066114
[10] L. Yeomans-Reyna, H. Acuña-Campa, F. de J. Guevara-Rodríguez and M. Medina-Noyola, Phys. Rev. E 67, 021108-1 a 13 (2003). doi:10.1103/PhysRevE.67.021108
[11] Peredo-Ortiz, R., Elizondo-Aguilera, L. F., Ramírez-González, P., Lázaro-Lázaro, E., Mendoza-Méndez, P., & Medina-Noyola, M. (2023). Non-equilibrium Onsager–Machlup theory. Molecular Physics. https://doi.org/10.1080/00268976.2023.2297991
[12] P.E. Ramírez-González, Tesis de Doctorado, Instituto de Física, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, 2010.
[13] P.E. Ramírez-González and M. Medina-Noyola, Phys. Rev. E 82, 061503 (2010). doi:10.1103/PhysRevE.82.061503
[14] P.E. Ramírez-González and M. Medina-Noyola, Phys. Rev. E 82, 061504 (2010). doi:10.1103/PhysRevE.82.061504