Uma nova teoria de fenômenos cruzados poderia ser aplicada para prever se um novo material seria eficaz para uso em várias aplicações, desde ultrassons médicos aprimorados até refrigeradores mais eficientes, de acordo com um pesquisador da Penn State.
Fenômenos cruzados são as respostas de um sistema a estímulos externos. Eles ocorrem em praticamente qualquer sistema, de escalas quânticas a macro. A existência de fenômenos cruzados explica como um estímulo externo impulsiona o fluxo de partes dentro de um sistema e como a funcionalidade e eficácia do sistema dependem da força motriz e da mobilidade das partes que fluem.

"A maioria dos estudos de materiais envolve fenômenos cruzados", disse Zi-Kui Liu, Dorothy Pate Enright, professora de Ciência e Engenharia de Materiais e autora do estudo publicado em Materials Research Letters . “Se você configurar um gradiente de temperatura em um material termoelétrico, ele gerará eletricidade e, portanto, produzirá energia para eletricidade, como a usada na espaçonave da NASA. útil para refrigeração. Estes são fenômenos cruzados."

Liu observou que os fenômenos cruzados são observáveis ​​em sistemas naturais e humanos. Um exemplo de sistema natural é a própria Terra, onde o calor do Sol resulta em todos os tipos de fenômenos cruzados, incluindo evaporação de água e fotossíntese para o crescimento de árvores e plantações. Um exemplo de fenômenos cruzados em um sistema dirigido por humanos é o mercado de ações, onde um fator externo, como uma guerra, pode causar medo, resultando em mais pessoas querendo vender ações e empurrando para baixo os preços das ações e, sob condições extremas, trazendo todo o mercado para cruzar seu limite de estabilidade, resultando em um acidente.

Segundo Liu, sua nova teoria dos fenômenos cruzados vai além da abordagem científica fenomenológica, onde observações em experimentos são feitas para descrever a relação dos fenômenos entre si com base no que é observado.

"Você pode fazer observações fenomenológicas, mas também se perguntar por que isso acontece", disse Liu. "Nós entendemos a lei fundamental e dizemos ok, essa observação faz sentido. Mas você também pode dizer não, essa observação foi superficial, havia algo realmente diferente do que pensávamos que aconteceria que requer uma investigação mais aprofundada. Com uma melhor compreensão e até novas leis, pode-se prever como os estímulos afetam um determinado sistema no futuro."

A nova teoria envolve o que Liu chama de teoria Zentropia. A zentropia é baseada na entropia, a parte da segunda lei da termodinâmica que expressa a medida da desordem de um sistema que ocorre durante um período de tempo em que não há energia aplicada para manter a ordem. Zentropy considera como a entropia ocorre em várias escalas dentro de um sistema, integrando a mecânica quântica, mecânica estatística e medições experimentais da termodinâmica.

"Nosso trabalho e o trabalho de outros estabeleceram métodos para prever coeficientes cinéticos, ou seja, mobilidade, com base na energética, ou seja, termodinâmica", disse Liu. "E o presente trabalho em nossa nova teoria de fenômenos cruzados indica que os fenômenos cruzados são devidos à dependência da força motriz de outras variáveis ​​independentes além de sua variável conjugada, ou seja, quantidades termodinâmicas. A mobilidade também depende de todas as variáveis ​​independentes, mas não em termos dos fenômenos cruzados comumente definidos. A abordagem fenomenológica não é baseada em fundamentos e, portanto, não é tão rigorosa."

Esta nova teoria de fenômenos cruzados pode ser usada por pesquisadores para orientar a descoberta experimental e fornecer uma compreensão teórica das observações experimentais. Isso pode permitir que os pesquisadores prevejam as melhores maneiras de desenvolver novos materiais com comportamento emergente por meio da mecânica quântica e da mecânica estatística, disse Liu. O comportamento emergente em um sistema refere-se a características do todo que são maiores que a soma de suas partes.

Liu apontou um exemplo baseado em um transdutor de ultrassom, a parte portátil de uma máquina de ultrassom, que é usada para detectar os batimentos cardíacos de um feto no útero.

"O batimento cardíaco vibra o transdutor e gera eletricidade por meio de ferroelétricos, então você realmente 'vê' a eletricidade na tela como uma imagem do bebê", disse Liu. "Isso é um fenômeno cruzado. Uma vibração mecânica lhe dará tensão, não um fenômeno cruzado clássico, isso é apenas tensão. Mas quando a tensão é convertida em eletricidade, isso é fenômeno cruzado. Muitas vezes, as imagens de ultrassom não são claras e bastante borradas, mas se pudermos prever como desenvolver melhores materiais para fazer um transdutor mais sensível, as imagens terão uma resolução muito melhor."

O próximo passo neste estudo é pesquisar como essa nova teoria de fenômenos cruzados pode ser usada como uma ferramenta preditiva para permitir a descoberta mais eficiente de materiais com comportamentos emergentes, incluindo supercondutividade, ferroeletricidade e ferromagnetismo para aplicações em conversão de energia, refrigeração e sensores . + Explorar mais

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