A natureza luta pelo caos. Essa é uma frase agradável e reconfortante quando mais uma xícara de café caiu sobre o teclado do computador e você imagina que poderia desejar que a bebida açucarada e leitosa voltasse à xícara de café - onde estava apenas alguns segundos antes. Mas desejar não vai funcionar. Porque, como mencionado, a natureza se esforça para o caos.
Os cientistas cunharam o termo entropia para esse efeito – uma medida de desordem. Na maioria dos casos, se a desordem aumenta, os processos são executados espontaneamente e o caminho de volta à ordem anterior é bloqueado. Veja a xícara de café derramada. Mesmo as usinas termelétricas, que geram uma enorme nuvem de vapor acima de sua torre de resfriamento a partir de uma pilha de madeira ou carvão, operam movidas por entropia. A desordem aumenta dramaticamente em muitos processos de combustão – e os humanos tiram vantagem disso, aproveitando um pouco de energia na forma de eletricidade do processo em andamento para seus próprios propósitos.

A entropia pode estabilizar qualquer coisa?

Os cristais são considerados o oposto da desordem. Em uma estrutura cristalina, todos os elementos da rede são ordenadamente ordenados juntos no menor volume possível. Isso torna a ideia de que os cristais podem ser estabilizados pela força da entropia e, assim, criar uma nova classe de materiais ainda mais bizarra.

Materiais estabilizados por entropia ainda são um campo jovem de pesquisa. Começou em 2004 com as chamadas ligas de alta entropia, misturas de cinco ou mais elementos que podem ser misturados. Se a mistura for bem sucedida e todos os elementos estiverem distribuídos homogeneamente, às vezes surgem propriedades especiais que não vêm dos ingredientes individuais, mas de sua mistura. Os cientistas chamam isso de "efeitos de coquetel".

Mesmo no calor, o caos reina

Desde 2015, sabe-se que até os cristais cerâmicos podem ser estabilizados pelo “poder da desordem”. Dessa forma, até mesmo elementos superdimensionados e minúsculos se encaixam no cristal, o que normalmente o destruiria. A equipe de pesquisa do Empa já conseguiu inserir nove átomos diferentes em um cristal. A vantagem é que eles permanecem estáveis ​​mesmo em altas temperaturas - porque "reorganizá-los" levaria a uma ordem maior. A busca natural pela desordem máxima estabiliza, assim, a estrutura cristalina incomum - e, portanto, todo o material.

“Com até quatro componentes no cristal, tudo continua normal; com cinco componentes ou mais, o mundo muda”, explica Michael Stuer, pesquisador do departamento de Cerâmica de Alta Performance da Empa. Desde que o pesquisador criado em Luxemburgo ingressou na Empa em 2019, ele trabalha na área de pesquisa de cristais de alta entropia. "Esta classe de materiais abre uma ampla gama de novas oportunidades para nós", diz Stuer. "Podemos estabilizar cristais que de outra forma se desintegrariam devido a tensões internas. E podemos criar superfícies de cristal altamente ativas que nunca existiram antes e procurar efeitos de coquetel interessantes."

Juntamente com sua colega Amy Knorpp, Stuer está agora partindo para o desconhecido. Os dois são especialistas na produção de pó de cristal fino e têm colegas na Empa para análise de raios X e de superfície para caracterizar com precisão as amostras que produzem. Com a ajuda deles, Michael Stuer agora quer estar na vanguarda do cenário internacional. "O número de publicações sobre o tema de cristais de alta entropia está aumentando muito fortemente neste momento. E queremos estar lá desde o início", diz o pesquisador.

Ilhas de conhecimento

O que é necessário agora é uma abordagem sistemática, perícia e uma boa dose de perseverança. Onde você começa? Que direção se toma? "No momento, não há experiência coerente, nenhuma visão geral completa deste novo campo de pesquisa", diz Stuer. "Diferentes grupos de pesquisa ao redor do mundo estão trabalhando em projetos limitados. Assim, ilhas individuais de conhecimento estão surgindo que terão que crescer juntas nos próximos anos."

Michel Stuer e Amy Knorpp se concentram em materiais cataliticamente ativos. A reação química na qual eles estão interessados ​​envolve a combinação de CO₂ e hidrogênio para formar metano. O objetivo é transformar um gás de efeito estufa em um combustível sustentável e armazenável. "Sabemos que CO₂ moléculas adsorvem particularmente bem em certas superfícies e que a reação desejada ocorre mais fácil e rapidamente", diz Amy Knorpp. "Agora estamos tentando produzir cristais entrópicos em cujas superfícies existem regiões altamente ativas".

Linha de montagem química

Para avançar mais rápido, os pesquisadores construíram um dispositivo de síntese especial com a ajuda da oficina do Empa, no qual muitas misturas químicas diferentes podem ser testadas uma após a outra, como em uma linha de montagem. No "Reator Tubular de Fluxo Segmentado", pequenas bolhas percorrem um tubo no qual ocorre a respectiva reação. No final, as bolhas são esvaziadas e o pó que elas contêm pode ser processado.

"O 'Tubular Flow Reactor' tem uma enorme vantagem para nós:todas as bolhas são do mesmo tamanho, e é por isso que sempre temos condições de contorno ideais e consistentes para nossas sínteses", explica Stuer. "Se precisarmos de quantidades maiores de uma mistura particularmente promissora, simplesmente produzimos várias bolhas com a mesma mistura uma após a outra."

As janelas do lado direito

O pó precursor é então transformado em cristais finos do tamanho e formato desejados através de vários processos de secagem. "Os cristais são como casas, têm paredes externas fechadas e algumas com janelas", explica Michael Stuer. Às vezes, a forma do cristal já indica o lado da janela. Por exemplo, quando uma mistura forma cristais em forma de agulha. "Os lados longos da agulha são os de baixa energia. Não acontece muita coisa lá. As bordas de cristal nas pontas das agulhas, por outro lado, são de alta energia. É aí que fica interessante", disse Stuer.

Para seu primeiro grande projeto, os pesquisadores do Empa se uniram a colegas do Instituto Paul Scherrer (PSI). Eles estão investigando a possível metanação de CO₂ de usinas de biogás e estações de tratamento de esgoto em um reator experimental. Os pesquisadores do PSI já ganharam experiência com vários catalisadores e se deparam repetidamente com um problema:o catalisador, em cuja superfície a reação química ocorre, enfraquece com o tempo. Isso se deve ao fato de que os componentes de enxofre do biogás contaminam a superfície ou que as superfícies do catalisador sofrem transformação química em altas temperaturas.

É aqui que os pesquisadores procuram um avanço usando cristais entrópicos; afinal, eles não se decompõem mesmo em altas temperaturas – eles são estabilizados pelo caos. "Estamos esperando que nossos cristais durem mais no processo e possivelmente sejam mais resistentes à poluição por enxofre", diz Stuer.

Desenhando um mapa

Depois disso, os especialistas em cristal da Empa estão prontos para outros desafios, como baterias de alto desempenho, cerâmicas supercondutoras ou catalisadores para escapamento de automóveis e outros processos de produção química. "É uma floresta escura que estamos entrando", diz Amy Knorpp. "Mas temos um palpite em que direção algo pode ser encontrado. Agora estamos desenhando um mapa desses sistemas. Em algum lugar lá fora, achamos que há um baú de tesouros escondido."

Sua pesquisa recente é publicada em CHIMIA . + Explorar mais

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