O vidro pode parecer um sólido perfeitamente ordenado, mas de perto seu arranjo caótico de partículas se assemelha mais à bagunça tumultuada de um líquido em queda livre congelado no tempo.
Conhecidos como sólidos amorfos, os materiais neste estado desafiam uma explicação fácil. Novas pesquisas envolvendo computação e simulação estão produzindo pistas. Em particular, sugere que, em algum lugar entre os estados líquido e sólido, existe um tipo de rearranjo que não sabíamos que existia.
De acordo com os cientistas Dimitrios Fraggedakis, Muhammad Hasyim e Kranthi Mandadapu da Universidade da Califórnia, Berkeley, existe um comportamento no limite de temperatura de líquidos e sólidos super-resfriados, onde as partículas estáticas permanecem excitadas, ‘contraindo-se’ no lugar.
Estamos amplamente familiarizados com três estados fundamentais da matéria na vida cotidiana: sólido, líquido e gasoso ou vapor. Cada um é definido pelas relações entre suas partículas e seu entorno.
Quando um deles se transforma em outro – um sólido derretendo em líquido ou um líquido evaporando em gás, por exemplo – isso é conhecido como transição de estado.
Mas a matéria é um pouco mais complexa do que apenas esses três estados básicos. Os átomos podem ficar tão quentes, por exemplo, que suas cargas se separam para formar um plasma. Resfriadas, algumas classes de partículas podem perder completamente sua identidade e se misturar em um borrão quântico.
Sólidos amorfos são misturas estranhas de sólidos bem ordenados e líquidos fracamente ligados. Enquanto as partículas dentro dos sólidos tendem a formar conexões previsíveis com seus vizinhos, uma vez que se fixam em temperaturas adequadamente baixas, os sólidos amorfos têm o arranjo desordenado de um líquido.
A maneira como essas conexões aparentemente aleatórias mudam de fluxos viscosos de moléculas fluidas para uma paisagem estática está longe de ser óbvia.
Usando o vidro como exemplo mais familiar, seus elementos constituintes de oxigênio e silício fluem quando aquecidos. Resfriadas lentamente, essas partículas têm tempo de se formar em uma estrutura cristalina ordenada chamada quartzo. Se esfriar rapidamente, as partículas retêm de alguma forma um arranjo desordenado; este é o ponto em que se torna um sólido amorfo, e a temperatura em que ocorre é a temperatura inicial.
Fraggedakis, Hasyim e Mandadapu usaram computação e simulação, combinadas com os resultados de experiências anteriores, para determinar que esta transição pode não ser tão nítida, apresentando uma atividade especial de partículas situadas entre os seus estados líquido normal e super-resfriado.
“Nossa teoria prevê a temperatura inicial medida em sistemas modelo e explica por que o comportamento dos líquidos super-resfriados em torno dessa temperatura lembra os sólidos, embora sua estrutura seja a mesma do líquido”, explica Mandadapu.
“A temperatura inicial da dinâmica vítrea é como uma temperatura de fusão que ‘derrete’ um líquido super-resfriado em um líquido. Isso deve ser relevante para todos os líquidos super-resfriados ou sistemas vítreos.”
Embora o fluxo geral de átomos em um líquido super-resfriado seja efetivamente nulo, as partículas mudam continuamente suas configurações enquanto ficam presas no lugar, resultando em movimentos chamados excitações. Os pesquisadores trataram essas excitações em um líquido super-resfriado 2D como defeitos em um sólido cristalino e calcularam o que acontece quando a temperatura muda.
Eles descobriram que pares ligados de excitações se desvinculam na temperatura inicial, fazendo com que o material perca sua rigidez e se comporte como um líquido normal.
A equipe acredita que seu modelo também pode ser expandido para compreender como a transição funciona em três dimensões, e oferecer uma base teórica para futuros trabalhos experimentais.
“Toda a busca é entender microscopicamente o que separa o líquido super-resfriado de um líquido de alta temperatura”, diz Mandadapu.
“É fascinante, do ponto de vista da ciência básica, examinar por que esses líquidos super-resfriados exibem dinâmicas notavelmente diferentes dos líquidos regulares que conhecemos.”
Traduzido por Mateus Lynniker de ScienceAlert
