Nova pesquisa publicada no Proceedings of the National Academy of Sciences descreve como forças externas impulsionam o rearranjo de partículas individuais e moldam estruturas de micronível em materiais desordenados. O estudo, conduzido pelo estudante de graduação Larry Galloway, pós-doutorado Xiaoguang Ma, e os membros do corpo docente Paulo Arratia, Douglas Jerolmack, e Arjun Yodh, fornece novos insights sobre como a estrutura microscópica da desordem, sólidos semelhantes ao vidro estão relacionados a estressores externos e às mudanças resultantes nos movimentos de partículas individuais. Essas descobertas fornecem novas abordagens potenciais para a criação de materiais personalizáveis ​​com propriedades mecânicas exclusivas.

Através da história, as pessoas procuram maneiras de tornar os materiais mais resistentes, flexível, e durável, sejam espadas de aço de Damasco ou borracha vulcanizada. Hoje em dia, tecnologias de imagem de última geração permitem que os cientistas estudem materiais em nível atômico, mas mesmo com esta resolução aprimorada continua sendo um desafio estudar materiais quando eles estão sob forças externas. Isso torna difícil desenvolver abordagens de projeto "de baixo para cima" que podem imbuir materiais com propriedades mecânicas especificadas.

Uma classe de materiais que são particularmente desafiadores, tanto para estudar quanto para manipular, são materiais desordenados. Ao contrário dos materiais encomendados, que têm estruturas cristalinas com átomos em locais previsíveis bem definidos, como em uma treliça de favo de mel, os átomos em materiais desordenados são arranjados aleatoriamente, como grãos em um monte de areia. Materiais desordenados, como o vidro usado nas telas dos smartphones, têm muitas propriedades úteis, mas são frágeis se derrubadas ou esmagadas.

Para entender melhor como os materiais desordenados podem ser modificados de uma forma que lhes dê novas propriedades, os pesquisadores os estudaram durante a deformação plástica. Este processo, onde o material é levado a fluir e os átomos, moléculas, ou as partículas que compõem o material podem facilmente deslizar umas pelas outras, causa rearranjos permanentes na estrutura geral do material. O objetivo dos pesquisadores era procurar relações quantificáveis ​​conectando a capacidade de um material de mudar sob a influência de tensões externas ao modo como as partículas individuais se reorganizam.

A equipe conduziu experimentos usando um material desordenado "modelo" feito de 50, 000 partículas coloidais projetadas para imitar átomos. Os "átomos" individuais foram espalhados por uma interface de água, e os pesquisadores usaram uma pequena agulha magnética para empurrar a camada de átomos com uma força de cisalhamento, fazendo com que fluam ao longo de caminhos específicos. Usando o vídeo coletado durante o processo de tosquia, eles foram capazes de rastrear os movimentos de todos os 50, 000 partículas.

Usando este conjunto de dados, os pesquisadores calcularam duas quantidades que se mostraram cruciais para a compreensão da resposta do sólido desordenado:entropia excessiva e tempo de relaxamento. O excesso de entropia é uma medida da estrutura geral da amostra que caracteriza o quão desordenado está o material. O relaxamento de partículas é uma medida da dinâmica de resposta de um material e caracteriza a rapidez com que as partículas individuais se movem umas pelas outras.

"Percebemos que essas duas quantidades se relacionam muito bem uma com a outra, "Galloway diz sobre a análise deste conjunto de dados, que os pesquisadores usaram para quantificar a rapidez com que os "átomos" coloidais se movem entre si quando uma tensão é aplicada e para comparar essa taxa com o quão desordenado o material final se tornou.

O conceito de entropia em excesso já havia sido usado para estudar líquidos e sistemas que estão em equilíbrio, o que significa que todas as forças que atuam em um sistema estão em equilíbrio. O presente trabalho é o primeiro experimento a aplicar essas idéias a sistemas que estão fora de equilíbrio, como o material desordenado de deformação plástica estudado aqui. "Descobrimos que o mesmo conceito, excesso de entropia, frequentemente utilizado na teoria padrão de líquidos, poderia nos ajudar a entender como os sólidos se deformam plasticamente, "diz a mãe.

Ao quantificar a relação entre a estrutura, ou entropia em excesso, e dinâmica, ou tempo de relaxamento, durante a deformação plástica, a equipe identificou uma conexão entre as mudanças na localização de partículas individuais e a estrutura geral do material. "Primeiro, aplicamos um estresse externo para empurrar o material, "Yodh diz." Então, as partículas no material material reorganizadas e, por fim, relaxadas em uma nova estrutura interna. Descobrimos que quanto mais rápido essa força externa é aplicada, quanto mais rápido as partículas se reorganizam e mais desordenada se torna a estrutura do material final, como refletido por seu excesso de entropia. "

Essa compreensão aprimorada de como a dinâmica de um material se relaciona com sua microestrutura no nível de uma única partícula agora pode ajudar os cientistas de materiais a entender a "história" de um determinado material. "Se eu souber a taxa de deformação plástica, então posso prever a quantidade de ordem do material em seu estado final. Alternativamente, se você olhar para um material e medir sua ordem microestrutural, então posso dizer algo sobre o processo de deformação plástica que o levou até lá, "diz a mãe.

Os pesquisadores agora estão planejando experimentos adicionais para calcular o excesso de entropia mais localmente e observar sistemas que são ainda mais desordenados do que o usado neste experimento. Se eles acharem que os princípios físicos estabelecidos no presente trabalho podem ser generalizados para outros tipos de materiais, poderia abrir caminho para novas abordagens relacionando medições em nível atômico com propriedades mecânicas desejáveis. "Então, você pode aprender como preparar um material de uma certa maneira, cortando mais rápido ou mais devagar, de modo que você tenha uma tela que não quebra, "diz Arratia.