Desvendando os mistérios dos sólidos amorfos: Novas descobertas
O vidro pode parecer e sentir-se como um sólido perfeitamente estruturado, mas ao observá-lo mais de perto, a disposição de suas partículas se assemelha mais ao estado caótico de um líquido em queda livre congelado no tempo.
Conhecidos como sólidos amorfos, materiais nesse estado desafiam uma interpretação simples. Pesquisas recentes utilizando métodos computacionais e simulações estão fornecendo insights sobre esse fenômeno. Especificamente, indicam a existência de uma forma de reorganização previamente desconhecida que ocorre em algum ponto entre os estados líquido e sólido.
Dimitrios Fraggedakis, Muhammad Hasyim e Kranthi Mandadapu, pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, propõem a existência de um comportamento que ocorre na fronteira de temperatura entre líquidos super-resfriados e sólidos. Nesse estado, as partículas estáticas permanecem energeticamente ativas, exibindo pequenos movimentos enquanto estão em posição.
Na vida cotidiana, estamos familiarizados com três estados fundamentais da matéria: sólido, líquido e gás (ou vapor). Cada estado é definido pelas interações entre suas partículas constituintes e seu ambiente.
Quando uma substância faz a transição de um estado para outro – por exemplo, quando um sólido derrete para se tornar um líquido ou um líquido evapora para se transformar em um gás – essa mudança é conhecida como transição de estado.
No entanto, a natureza da matéria vai além desses três estados fundamentais. Em determinadas condições, os átomos podem se tornar extremamente quentes, fazendo com que suas cargas se dispersem e formem um plasma. Por outro lado, quando resfriadas significativamente, certos tipos de partículas podem perder suas características distintas e se fundir em uma neblina quântica.
Os sólidos amorfos são combinações peculiares de sólidos bem estruturados e líquidos com ligações fracas. Enquanto partículas em sólidos normalmente estabelecem conexões previsíveis com partículas vizinhas ao se fixarem em posições em temperaturas suficientemente baixas, os sólidos amorfos possuem a disposição desordenada característica dos líquidos.
O processo pelo qual essas conexões aparentemente aleatórias mudam da natureza fluída e viscosa das moléculas para uma disposição estática está longe de ser óbvio.
Considere o exemplo do vidro: quando aquecido, os átomos de oxigênio e silício em seu interior se movem livremente. Ao resfriar lentamente, essas partículas têm tempo para se alinhar em uma estrutura cristalina ordenada chamada quartzo. Se o resfriamento ocorrer rapidamente, as partículas retêm sua disposição desordenada, resultando no material se tornando um sólido amorfo. A temperatura em que essa transição ocorre é chamada de temperatura de início.
Utilizando modelagem computacional, técnicas de simulação e insights de experimentos anteriores, Fraggedakis, Hasyim e Mandadapu propõem que essa transição não seja tão direta como se pensava anteriormente. Eles identificam uma atividade única das partículas que ocorre entre o estado líquido normal e o estado super-resfriado.
Mandadapu explica: “Nossa teoria prevê a temperatura de início medida em sistemas modelo e explica por que o comportamento de líquidos super-resfriados ao redor dessa temperatura lembra os sólidos, embora sua estrutura seja a mesma que a do líquido.”
A teoria da equipe compara a temperatura de início das dinâmicas do vidro a um ponto de fusão que transforma um líquido super-resfriado em um líquido comum. Esse conceito é esperado se aplicar a todos os líquidos super-resfriados e sistemas vítreos.
Apesar do fluxo atômico quase estagnado em um líquido super-resfriado, as partículas continuam a alterar suas configurações enquanto permanecem fixas no lugar. Essas alterações são conhecidas como excitações. Os pesquisadores compararam essas excitações em um líquido super-resfriado em 2D a defeitos em um sólido cristalino e estudaram seu comportamento à medida que a temperatura muda.
Suas descobertas indicam que pares de excitações ligadas se desvinculam na temperatura de início, fazendo com que o material perca sua rigidez e exiba características de um líquido comum.
A equipe de pesquisa acredita que seu modelo pode ser expandido para compreender a transição em três dimensões, oferecendo uma base teórica para futuros estudos experimentais.
Mandadapu afirma: “O objetivo final é obter uma compreensão microscópica do que distingue um líquido super-resfriado de um líquido em alta temperatura.”
“Do ponto de vista científico fundamental, é cativante explorar por que esses líquidos super-resfriados exibem dinâmicas que são notavelmente diferentes daquelas dos líquidos familiares que conhecemos.” [Science Alert]
