Físicos nos Estados Unidos afirmam ter criado uma simulação que, pela primeira vez, mostra que o vidro ideal é possível - o que ajuda a desfazer um paradoxo debatido há décadas.
Por que o vidro comum se parece mais com um líquido do que com cristais congelados
Em certos aspectos, o vidro de um copo de água com gelo tem mais em comum com o líquido do que com os cristais sólidos flutuando nele. No vidro, as moléculas ficam desordenadas como em um líquido: trata-se de uma estrutura aleatória, apenas uma entre incontáveis configurações possíveis.
O que é vidro ideal: desordem sem alternativas e entropia mínima
O vidro ideal é diferente. Aquilo que parece ser um emaranhado aleatório de moléculas não teria outras possibilidades de organização - ou, como se diz na Física, teria entropia mínima.
Essa ideia foi levantada em 1948 pelo químico Walter Kauzmann. Ele propôs que, como a entropia diminui quando líquidos são resfriados e viram vidro, poderia existir uma temperatura tão baixa que a eliminaria por completo. O arranjo ainda seria aleatório, mas tão precisamente compactado que não poderia ser reorganizado de nenhuma outra forma.
Nas décadas seguintes, a viabilidade desse vidro “paradoxalmente ordenado” foi amplamente discutida.
A simulação em 2D: arranjo amorfo, mas ordem e uniformidade de cristal perfeito
No novo estudo, a física Viola Bolton-Lum, da Universidade do Oregon, e colegas usaram modelos computacionais para mostrar que o vidro ideal é possível em 2D - isto é, um vidro com partículas em arranjo amorfo, porém também muito ordenado e uniforme, de modo que seu comportamento se assemelha ao de um cristal perfeito.
“Além de resolver um mistério de longa data, essa metodologia representa um atalho valioso na geração de sistemas vítreos bem equilibrados”, escrevem os pesquisadores no artigo publicado.
“A criação de um empacotamento ideal como esse torna possível uma exploração e explicação completas de sistemas bidimensionais travados e vítreos.”
Por que resfriar “normalmente” não basta - e o “código de trapaça” que mudou o resultado
Os autores observaram que o resfriamento convencional não permitiria alcançar o estado de vidro ideal: isso exigiria um tempo infinito. Por isso, nos modelos, eles introduziram uma espécie de “código de trapaça” que permite redimensionar as partículas do vidro enquanto elas são compactadas.
Esse grau extra de flexibilidade é decisivo, produzindo um vidro que parece amorfo, mas exibe propriedades cristalinas. Em particular, o vidro obtido fica muito mais rígido e estável do que o normal: cada partícula passa a ter, em média, seis pontos de contato com uma vizinha, ganhando sustentação adicional.
“Achamos que encontramos uma solução, ao mostrar que esse estado não é paradoxo nenhum”, disse o físico Eric Corwin, da Universidade do Oregon, a Ingrid Fadelli, do Phys.org. “Na verdade, nós conseguimos construí-lo.”
Como o material reagiria a impactos e o papel da hiperuniformidade
Uma diferença entre esse vidro e o vidro comum estaria na resposta a um impacto. Em vez de gerar vibrações desorganizadas e irregulares, como ocorre tipicamente, o vidro ideal vibraria com uniformidade perfeita - de modo semelhante ao de um diamante, por exemplo.
O material também apresentaria o que se chama de hiperuniformidade. Observando de perto, não se veriam aglomerados de partículas nem lacunas vazias: cada partícula ocuparia a quantidade exata de espaço.
Limitações: resultado teórico e desafios para fabricação em laboratório
É importante ter em mente que o trabalho é teórico: até agora, ninguém fabricou vidro ideal em laboratório. Os próprios pesquisadores reconhecem que processos padrão de aquecimento e resfriamento não são suficientes para produzir esse tipo de vidro - serão necessárias novas abordagens antes que ele possa ser feito de fato.
Ainda assim, o estudo indica que o vidro ideal não é impossível e, por causa de suas propriedades específicas, provavelmente poderia ser útil em diversas aplicações. Quais seriam essas aplicações, porém, ainda é difícil prever, já que o material está apenas começando a ser imaginado de forma concreta.
Há muito para investigar sobre o vidro ideal e seu desenvolvimento, especialmente sobre como reproduzir, em processos reais de fabricação, o “código de trapaça” usado nas simulações. Considerando os avanços na ciência dos materiais, há motivos para acreditar que o vidro ideal possa existir um dia.
“Serão necessárias abordagens novas para criar esses empacotamentos na prática, pois eles não são acessíveis por processos térmicos ou mecânicos comuns”, escrevem os pesquisadores.
“Para criar esses sistemas na prática, teria de ser desenvolvida uma implementação física do nosso algoritmo.”
A pesquisa foi publicada na revista Cartas de Revisão Física.
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