p Nem tudo sobre o vidro é claro. Como seus átomos estão organizados e se comportam, em particular, é surpreendentemente opaco. p O problema é que o vidro é um sólido amorfo, uma classe de materiais que se encontra no reino misterioso entre o sólido e o líquido. Materiais vítreos também incluem polímeros, ou plásticos comumente usados. Embora possa parecer estável e estático, os átomos de vidro estão constantemente se embaralhando em uma busca frustrantemente fútil por equilíbrio. Esse comportamento instável tornou a física do vidro quase impossível para os pesquisadores definirem.

p Agora, uma equipe multi-institucional, incluindo a Northwestern University, A Universidade Estadual de Dakota do Norte e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) projetaram um algoritmo com o objetivo de dar aos vidros poliméricos um pouco mais de clareza. O algoritmo possibilita que os pesquisadores criem modelos de granulação grossa para projetar materiais com propriedades dinâmicas e prever seus comportamentos em constante mudança. Chamado de "algoritmo de renormalização de energia, "é o primeiro a prever com precisão o comportamento mecânico do vidro em diferentes temperaturas e pode resultar na rápida descoberta de novos materiais, projetado com propriedades ideais.

p "O processo atual de descoberta de materiais pode levar décadas, "disse Sinan Keten da Northwestern, que co-liderou a pesquisa. "Nossa abordagem aumenta as simulações moleculares em cerca de mil vezes, para que possamos projetar materiais com mais rapidez e examinar seu comportamento. "

p "Embora materiais vítreos estejam ao nosso redor, os cientistas ainda lutam para entender suas propriedades, como sua fluidez e difusão conforme a temperatura ou composição variam, "disse Jack F. Douglas, um pesquisador do NIST, que co-liderou o trabalho com Keten. "Essa falta de compreensão é uma limitação séria no design racional de novos materiais."

p O estudo publicado recentemente na revista Avanços da Ciência . Wenjie Xia, professor assistente de engenharia civil e ambiental na North Dakota State University, foi o primeiro autor do artigo.

p O estranho comportamento do vidro decorre da maneira como ele é feito. Ele começa como uma poça quente de material fundido que é resfriado rapidamente. Embora o material final deseje atingir o equilíbrio em um estado resfriado, é altamente suscetível a mudanças de temperatura. Se o material for aquecido, suas propriedades mecânicas podem mudar dramaticamente. Isso torna difícil para os pesquisadores prever com eficiência as propriedades mecânicas usando as técnicas de simulação molecular existentes.

p "Tão simples quanto parece de vidro, é um material muito estranho, "disse Keten, professor associado de engenharia mecânica e engenharia civil e ambiental na McCormick School of Engineering da Northwestern. “É amorfo e não tem uma estrutura de equilíbrio, por isso está em constante evolução por movimentos lentos de suas moléculas. E então há uma grande variação em como ele evolui, dependendo da temperatura e das características moleculares de cada material vítreo. Esses processos levam muito tempo para serem computados em simulações moleculares. Acelerar os cálculos só é possível se pudermos mapear as posições das moléculas para modelos estruturais mais simples. "

p A estrutura do vidro está em forte contraste com um sólido cristalino, em que os átomos são organizados em uma ordem, previsível e simétrica. "É fácil mapear átomos em materiais cristalinos porque eles têm uma estrutura repetitiva, "Keten explicou." Considerando que em um material amorfo, é difícil mapear a estrutura devido à falta de ordem de longo alcance. "

p "Por causa da natureza amorfa e desordenada do vidro, suas propriedades podem variar substancialmente com a temperatura, tornando a previsão de seu comportamento físico extremamente difícil, "Xia acrescentou." Agora, encontramos uma nova maneira de resolver esse problema. "

p Para enfrentar este desafio, Keten, Douglas, Xia e seus colaboradores projetaram seu algoritmo para levar em consideração as muitas maneiras como as moléculas de vidro se moviam ou não, dependendo das variações de temperatura ao longo do tempo. Calcular a posição de cada átomo dentro do vidro seria penosamente lento e tedioso - mesmo para um algoritmo de alta potência - computar. Então Keten e seus colaboradores usaram "modelagem de granulação grossa, "uma abordagem simplificada que olha para grupos de átomos em vez de átomos individuais. Sua nova metodologia cria parâmetros para as interações entre essas partículas mais grossas de forma eficiente, de modo que o modelo possa capturar a dramática desaceleração do movimento molecular conforme o material vítreo esfria.

p "Não podemos fazer uma simulação átomo por átomo, mesmo para filmes de vidro de espessura em nanoescala, porque mesmo isso seria muito grande, "Keten disse." Ainda são milhões de moléculas. Os modelos de granulação grossa nos permitem estudar sistemas maiores comparáveis ​​a experimentos feitos em laboratório. "

p Até aqui, Keten e sua equipe compararam seu algoritmo com três tipos já bem caracterizados e muito diferentes de líquidos poliméricos formadores de vidro. Em cada caso, o algoritmo prevê com precisão as propriedades dinâmicas conhecidas em uma grande variedade de temperaturas.

p "Explicar a física dos óculos tem sido um dos maiores problemas que os cientistas não foram capazes de resolver, "Keten disse." Estamos chegando mais perto de entender o comportamento deles e resolver o mistério. "