A neve cai no inverno e derrete na primavera, mas o que impulsiona a mudança de fase no meio?

Embora o derretimento seja um fenômeno familiar encontrado na vida cotidiana, desempenhando um papel em muitos processos industriais e comerciais, ainda há muito a ser descoberto sobre essa transformação em um nível fundamental.

Em 2015, uma equipe liderada por Sharon Glotzer da Universidade de Michigan usou computação de alto desempenho no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia (DOE) para estudar fusão em sistemas bidimensionais (2-D), um problema que pode gerar insights sobre as interações de superfície em materiais importantes para tecnologias como painéis solares, bem como no mecanismo por trás da fusão tridimensional. A equipe explorou como a forma das partículas afeta a física de uma transição de fusão sólido-fluido em duas dimensões.

Usando o supercomputador Cray XK7 Titan no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), um DOE Office of Science User Facility, o trabalho da equipe revelou que a forma e a simetria das partículas podem afetar dramaticamente o processo de fusão. Esta descoberta fundamental pode ajudar a orientar os pesquisadores na busca de nanopartículas com propriedades desejáveis ​​para aplicações de energia.

Para resolver o problema, A equipe de Glotzer precisava de um supercomputador capaz de simular sistemas de até 1 milhão de polígonos rígidos, partículas simples usadas como substitutos de átomos, variando de triângulos a formas de 14 lados. Ao contrário das simulações tradicionais de dinâmica molecular que tentam imitar a natureza, simulações de polígonos rígidos fornecem aos pesquisadores um ambiente reduzido para avaliar a física influenciada pela forma.

"Em nosso ambiente 2-D simulado, descobrimos que a transição de fusão segue um dos três cenários diferentes, dependendo da forma dos polígonos do sistema, "O cientista pesquisador da Universidade de Michigan, Joshua Anderson, disse." Notavelmente, descobrimos que os sistemas compostos de hexágonos seguem perfeitamente uma teoria bem conhecida para fusão 2-D, algo que não foi descrito até agora. "

Cenários de Mudança de Forma

Em sistemas 3-D, como um icicle de desbaste, a fusão assume a forma de uma transição de fase de primeira ordem. Isso significa que coleções de moléculas dentro desses sistemas existem na forma sólida ou líquida, sem intermediários na presença de calor latente, a energia que alimenta uma mudança de fase sólido para fluido. Em sistemas 2-D, como materiais de filme fino usados ​​em baterias e outras tecnologias, derreter pode ser mais complexo, às vezes exibindo uma fase intermediária conhecida como fase hexática.

A fase hexática, um estado caracterizado como um ponto intermediário entre um sólido ordenado e um líquido desordenado, foi teorizado pela primeira vez na década de 1970 pelos pesquisadores John Kosterlitz, David Thouless, Burt Halperin, David Nelson, e Peter Young. A fase é uma característica principal da teoria KTHNY, uma teoria de fusão 2-D postulada pelos pesquisadores (e nomeada com base nas primeiras letras de seus sobrenomes). Em 2016, Kosterlitz e Thouless receberam o Prêmio Nobel de Física, junto com o físico Duncan Haldane, por suas contribuições para a pesquisa de materiais 2-D.

No nível molecular, sólido, hexático, e os sistemas líquidos são definidos pelo arranjo de seus átomos. Em um sólido cristalino, dois tipos de ordem estão presentes:translacional e orientacional. A ordem translacional descreve os caminhos bem definidos entre os átomos em distâncias, como blocos em uma torre Jenga cuidadosamente construída. A ordem orientacional descreve a ordem relacional e agrupada compartilhada entre átomos e grupos de átomos em distâncias. Pense na mesma torre Jenga que ficou torta após várias rodadas de jogo. A forma geral da torre permanece, mas sua ordem agora está fragmentada.

A fase hexática não tem ordem de translação, mas possui ordem de orientação. (Um líquido não tem ordem de translação nem orientação, mas exibe ordem de curto alcance, o que significa que qualquer átomo terá algum número médio de vizinhos próximos, mas sem ordem previsível.)

Deduzir a presença de uma fase hexática requer um computador de classe de liderança que pode calcular grandes sistemas de partículas duras. A equipe de Glotzer obteve acesso ao Titan de 27 petaflop do OLCF por meio do programa Inovador e Novo Impacto Computacional na Teoria e Experimento (INCITE), executando seu código HOOMD-blue acelerado por GPU para maximizar o tempo na máquina.

Em Titan, O HOOMD-blue usou 64 GPUs para cada simulação de Monte Carlo massivamente paralela de até 1 milhão de partículas. Os pesquisadores exploraram 11 sistemas de formas diferentes, aplicar uma pressão externa para empurrar as partículas juntas. Cada sistema foi simulado em 21 densidades diferentes, com as densidades mais baixas representando um estado fluido e as densidades mais altas um estado sólido.

As simulações demonstraram vários cenários de fusão que dependem da forma dos polígonos. Sistemas com polígonos de sete lados ou mais seguiram de perto o comportamento de fusão dos discos rígidos, ou círculos, exibindo uma transição de fase contínua da fase sólida para a hexática e uma transição de fase de primeira ordem da fase hexática para a fase líquida. Uma transição de fase contínua significa uma área em constante mudança em resposta a uma mudança de pressão externa. Uma transição de fase de primeira ordem é caracterizada por uma descontinuidade na qual o volume salta através da transição de fase em resposta à mudança de pressão externa. A equipe encontrou pentágonos e pentilhas quádruplas, pentágonos irregulares com dois comprimentos de borda diferentes, exibem uma transição de fase sólido para líquido de primeira ordem.

A descoberta mais significativa, Contudo, emergiu de sistemas hexagonais, que seguiu perfeitamente a transição de fase descrita pela teoria KTHNY. Neste cenário, a mudança das partículas de sólido para hexático e hexático para fluido em um padrão de transição de fase contínua perfeito.

"Na verdade, foi meio surpreendente que ninguém mais tenha descoberto isso até agora, "Anderson disse, "porque parece natural que o hexágono, com seus seis lados, e o arranjo hexagonal em forma de favo de mel seria uma combinação perfeita para essa teoria "na qual a fase hexática geralmente contém seis ordens de orientação.

Equipe de Glotzer, que recentemente recebeu uma alocação do INCITE 2017, agora está aplicando sua habilidade de computação de classe de liderança para lidar com as transições de fase em 3-D. A equipe está se concentrando em como as partículas fluidas se cristalizam em coloides complexos - misturas nas quais as partículas estão suspensas em outra substância. Exemplos comuns de coloides incluem leite, papel, névoa, e vitrais.

"Estamos planejando usar o Titan para estudar como a complexidade pode surgir dessas interações simples, e para fazer isso, vamos realmente ver como os cristais crescem e estudar a cinética de como isso acontece, "disse Anderson.