Imagens do estudo mostrando arranjos de partículas (azul) e seus padrões (vermelho), geradas usando o novo método, que mapeia rapidamente diagramas de fase e identifica estruturas cristalinas – incluindo quasicristais (g e h). Figura original e legenda em:
Uma equipe internacional de cientistas, incluindo pesquisadores da Universidade de Loughborough, desenvolveu um método para acelerar drasticamente a descoberta e o design de materiais avançados.
O estudo, publicado em Cartas de revisão físicamostra como a nova abordagem pode mapear diagramas de fases complexos em apenas um dia – em vez de semanas ou meses – e identificar onde é provável que se formem estruturas importantes, incluindo cristais e quasicristais.
O método permitirá aos cientistas “explorar o futuro” e identificar onde é provável que se formem estruturas promissoras e as condições necessárias para as criar, em vez de utilizar uma abordagem de tentativa e erro. Poderia ajudar a acelerar o desenvolvimento de materiais e tecnologias avançadas que aproveitem as propriedades únicas das estruturas quasicristais.
“Nossa abordagem é um dia de trabalho para um especialista – é muito mais rápida”, disse o professor Andrew Archer, especialista em matemática aplicada e física teórica na Universidade de Loughborough e um dos autores do artigo.
“Tentar encontrar quasicristais é como procurar uma agulha num palheiro, a menos que você saiba onde procurar. Este artigo fornece uma receita para saber onde procurar.”
Usando uma equação simples para lidar com diagramas de fases complexos
A pesquisa aborda um desafio de longa data na física e na ciência dos materiais: compreender como pequenas partículas na matéria mole se organizam em diferentes estruturas.
Matéria mole refere-se a materiais cuja estrutura e comportamento das partículas podem ser alterados por mudanças nas condições, como temperatura e densidade. Estes incluem polímeros, géis, cristais líquidos e colóides – onde partículas microscópicas estão suspensas em outra substância.
Os diagramas de fase são usados pelos cientistas para prever como as partículas se organizarão sob diferentes condições. Normalmente mostrado como gráficos com regiões coloridas, cada região representa uma “fase” possível – uma maneira diferente de organizar as partículas. Embora as fases familiares incluam sólido, líquido e gasoso, as partículas podem formar uma variedade de estruturas, tornando estes diagramas complexos e muitas vezes difíceis de navegar.
“As suspensões coloidais podem ter diagramas de fases muito complicados”, disse o professor Archer, “Um caso que consideramos tem pelo menos 10 fases diferentes no diagrama de fases.
“Qualquer coisa que simplifique a navegação em um diagrama de fases é uma coisa boa.”
Exemplo de diagrama de fases do estudo. As regiões coloridas mostram diferentes “fases” – ou estruturas de partículas. O eixo vertical é a temperatura e o horizontal é a densidade média das partículas. Os cientistas usam estes diagramas como mapas para compreender qual fase – ou estrutura – é provável que se forme sob diferentes condições. Figura original e legenda em: Navegando em diagramas de fases complexos em sistemas de matéria mole.
Até agora, a exploração desses diagramas dependia de experimentos lentos ou de simulações computacionais que consumiam muita energia e que podem levar semanas ou até meses.
A nova abordagem utiliza um método matemático simples, baseado na teoria clássica do funcional da densidade, para mapear rapidamente diagramas de fases complexos e prever onde é provável que apareçam estruturas interessantes. A equipe testou-o em sistemas conhecidos por produzirem uma ampla gama de estruturas e descobriu que era confiável.
“A fórmula matemática é tão simples que um computador pode avaliá-la mais rapidamente do que o tempo que leva para digitá-la”, disse o professor Archer, “É surpreendente que algo tão simples funcione tão bem!”
Desbloqueando novos materiais
A ferramenta pode ser usada para identificar aproximadamente onde as fases cristalinas aparecerão no diagrama de fases e dar dicas sobre quais são as estruturas cristalinas.
As estruturas cristalinas são importantes porque determinam as propriedades de um material, o que significa que as mesmas partículas podem se comportar de maneira muito diferente dependendo de como estão dispostas.
Ao prever onde se formam diferentes estruturas cristalinas, os cientistas podem projetar materiais com propriedades específicas de forma mais rápida e eficiente.
Os quasicristais são de particular interesse porque, embora ordenados, não se repetem num padrão regular, conferindo-lhes propriedades únicas que podem ser úteis em materiais e tecnologias avançadas.
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Um olhar mais atento aos quasicristais identificados no estudo. Estas estruturas altamente ordenadas, mas não repetitivas, são difíceis de encontrar, e o novo método ajuda a identificar onde é provável que se formem. Figura original e legenda em: Navegando em diagramas de fases complexos em sistemas de matéria mole
Os pesquisadores esperam que a técnica guie experimentos futuros e ajude a reduzir o tempo, o custo e a energia necessários para desenvolver novos materiais.
“A ferramenta também pode ser usada como uma ‘ferramenta de design inverso’ para adaptar as interações de partículas de modo que o sistema relacionado forme fases complexas sob condições externas adequadas, como quasicristais”, disse o professor Archer, “Estou ansioso para ver as maneiras interessantes como nosso método é usado.”
O estudo, intitulado Navegando em diagramas de fases complexos em sistemas de matéria mole, pode ser lido na íntegra online.
O estudo foi realizado em colaboração com acadêmicos da TU Wien, do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria e da Universidade de Tübingen.
O primeiro autor do estudo, Michael Wassermair, concluiu grande parte deste trabalho enquanto era estudante de graduação na TU Wien durante um intercâmbio ERASMUS na Universidade de Loughborough. Atualmente está cursando doutorado no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria.
Notas para editores
Número de referência do comunicado de imprensa: 26/70
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