O vidro pode parecer perfeitamente sólido e ordenado, mas um olhar mais atento revela que sua mistura caótica de partículas se assemelha mais a um líquido turbulento congelado no tempo.
Conhecidos como sólidos amorfos, esses materiais desafiam uma explicação direta. Uma nova pesquisa usando computação e simulação está revelando pistas, sugerindo que existe um novo rearranjo entre os estados líquido e sólido.
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De acordo com os cientistas Dimitrios Fraggedakis, Muhammad Hasyim e Kranthi Mandadapu, da Universidade da Califórnia em Berkeley, no limite de temperatura entre os líquidos e sólidos super-resfriados, as partículas estáticas permanecem excitadas, “se contorcendo” no lugar.
É comum encontrarmos três estados fundamentais da matéria: sólido, líquido e gasoso. Cada um deles é definido pelas interações entre suas partículas e o ambiente.
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Quando a matéria transita entre os estados – um sólido que se funde em um líquido ou um líquido que se evapora em um gás – isso é uma mudança de fase.
Mas a matéria é mais complexa do que apenas esses três estados. Os átomos podem ficar tão quentes que suas cargas se separam em plasma. Resfriadas o suficiente, algumas partículas perdem a identidade e se misturam em uma névoa quântica.
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Os sólidos amorfos são híbridos estranhos de sólidos ordenados e líquidos com ligações frouxas. Enquanto as partículas dos sólidos tendem a formar conexões previsíveis depois de assentadas em baixas temperaturas, os sólidos amorfos mantêm a desordem dos líquidos.
Não está claro como essas conexões aparentemente aleatórias mudam de moléculas fluidas para uma paisagem estática.
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Usando o vidro como exemplo, seus elementos de oxigênio e silício fluem quando aquecidos. Resfriadas lentamente, as partículas têm tempo para formar o cristal de quartzo ordenado. Resfriadas rapidamente, as partículas retêm a desordem, tornando-se sólidos amorfos na temperatura inicial.
Fraggedakis, Hasyim e Mandadapu usaram computação, simulação e experimentos anteriores para descobrir que a transição pode não ser simples. Parece haver uma atividade especial das partículas entre os estados líquido normal e super-resfriado.
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“Nossa teoria prevê a temperatura de início medida em sistemas modelo e explica por que o comportamento de líquidos super-resfriados em torno dessa temperatura lembra o de sólidos, embora sua estrutura seja a mesma do líquido”, explica Mandadapu.
“A temperatura de início 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.”
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Embora o fluxo líquido de átomos em um líquido super-resfriado seja insignificante, as partículas alteram constantemente seus arranjos enquanto permanecem estacionárias. Esses movimentos localizados são conhecidos como excitações. Os pesquisadores modelaram as excitações em um líquido super-resfriado 2D como defeitos em um sólido cristalino, examinando como elas mudam com a temperatura.
Eles descobriram que os pares de excitações ligadas se separam na temperatura inicial, fazendo com que o material perca a rigidez e faça a transição para um estado líquido normal.
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A equipe acredita que seu modelo 2D pode ser expandido para explicar a transição também em três dimensões, fornecendo uma base teórica para futuras pesquisas experimentais sobre o assunto.
“Toda a busca é entender microscopicamente o que separa o líquido super-resfriado de um líquido de alta temperatura”, diz Mandadapu.
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“É fascinante, do ponto de vista da ciência básica, examinar por que esses líquidos super-resfriados apresentam uma dinâmica notavelmente diferente da dos líquidos comuns que conhecemos.”
