Físicos se esquivam de um mistério: por que o vidro existe?


Se a capacidade de calor excepcionalmente baixa do vidro ultra estável realmente vier de ter menos sistemas de dois níveis, o vidro ideal corresponde naturalmente ao estado sem nenhum sistema de dois níveis. “É perfeitamente, de alguma forma, posicionado onde todos os átomos estão desordenados – não tem uma estrutura de cristal – mas não há nada se movendo”, disse David Reichman, um teórico da Universidade de Columbia.

Além disso, o impulso em direção a esse estado de perfeita ordem amorfa de longo alcance, em que cada molécula afeta as posições de todas as outras, pode ser o que faz com que os líquidos endureçam no vidro que vemos (e vemos através) ao nosso redor.

Nesta imagem emergente, quando um líquido se torna um copo, ele está realmente tentando fazer a transição para a fase de vidro ideal, atraída por uma atração fundamental em direção à ordem de longo alcance. O vidro ideal é o ponto final, disse Royall, mas quando as moléculas tentam se juntar, elas ficam presas; a viscosidade crescente impede que o sistema atinja o estado desejado.

Recentemente, simulações de computador inovadoras foram usadas para testar essas idéias. A simulação de vidro ultra-estável em um computador costumava ser inviável devido ao extraordinário tempo de computação necessário para que as moléculas simuladas se agrupassem. Dois anos atrás, no entanto, Berthier encontrou um truque que lhe permitiu acelerar o processo em um fator de 1 trilhão. Seu algoritmo escolhe duas partículas aleatoriamente e troca de posição. Essas agitações ajudam o líquido simulado a se manter livre, permitindo que as moléculas se acomodem em encaixes mais justos – assim como a capacidade de trocar duas formas mal ajustadas ajudaria em Tetris.

Em um artigo que está sendo revisado para publicação em Cartas de Revisão Física, Berthier, Scalliet, Reichman e dois co-autores relataram que quanto mais estável o vidro simulado, menos sistemas de dois níveis ele possui. Como nas medições da capacidade de calor de Hellman e Ramos, as simulações em computador sugerem que sistemas de dois níveis – configurações concorrentes de grupos de moléculas – são a fonte da entropia do vidro. Quanto menor o número desses estados alternativos, maior a estabilidade e a ordem de longo alcance de um sólido amorfo e mais próximo do ideal.

Os teóricos Vassiliy Lubchenko, da Universidade de Houston, e Peter Wolynes, da Rice University, sugeriram em 2007 que o vidro ideal não deveria ter sistemas de dois níveis. “Estou muito feliz com o resultado de Berthier”, disse Wolynes por e-mail.

A Anomalia Âmbar

Mas depois tem aquele âmbar.

Ramos e seus colaboradores publicaram suas comparações de amostras antigas e “rejuvenescidas” do vidro amarelo em Cartas de Revisão Física em 2014. Eles descobriram que o âmbar de 110 milhões de anos havia crescido cerca de 2% mais denso, de acordo com o vidro ultra-estável. Isso deve sugerir que o âmbar realmente se estabilizou ao longo do tempo, à medida que pequenos grupos de moléculas deslizaram, um por um, em arranjos de menor energia.

Mas quando a equipe de Madri esfriou o copo antigo quase ao zero absoluto e mediu sua capacidade de aquecimento, os resultados contaram uma história diferente. O âmbar envelhecido tinha a mesma alta capacidade de calor que o âmbar novo – e todos os outros vidros comuns. Suas moléculas pareciam estar entrelaçadas entre os sistemas de dois níveis, como de costume.

Por que o número de sistemas de dois níveis não diminuiu ao longo do tempo, pois o âmbar se estabilizou e se tornou mais denso? As descobertas não se encaixam.

“Gosto muito dos experimentos com âmbar, mas fazer um vidro âmbar é meio um processo confuso”, disse Ediger, o criador do método de deposição de vapor. “É basicamente a seiva das árvores que, com o tempo, muda e solidifica quimicamente e envelhece”. Ele acha que as impurezas do âmbar espanhol podem ter manchado as medidas da capacidade de calor.

Os pesquisadores planejam fazer novos experimentos com âmbar, assim como vidro simulado e fabricado em laboratório, na esperança de descobrir mais detalhes dos sistemas de dois níveis e aproximar-se do suposto estado ideal. Reichman observou que talvez nunca seja possível provar sua existência com total certeza. “Talvez um dia possamos saber, pelo menos no computador, como embalar com precisão partículas de uma maneira que seria o vidro ideal que estamos procurando”, disse ele. “Mas teríamos que esperar muito tempo – muito tempo – para ver se ele permanece estável”.

Nota do editor: Ludovic Berthier e David Reichman receberam financiamento da Simons Foundation, que também apóia Quanta, uma publicação independente de edição. O financiamento da Fundação Simons não desempenha nenhum papel em sua cobertura.

História original reimpressa com permissão de Quanta Magazine, uma publicação editorial independente da Fundação Simons, cuja missão é aprimorar a compreensão pública da ciência, cobrindo desenvolvimentos de pesquisa e tendências em matemática e ciências físicas e da vida.


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