Amplie um cristal e você encontrará uma matriz ordenada de átomos, espaçadas uniformemente como as janelas do Empire State Building. Mas amplie um pedaço de vidro, e a imagem parece um pouco mais confusa - mais como uma pilha aleatória de areia, ou talvez as janelas de um edifício Frank Gehry.

A natureza altamente ordenada dos cristais os torna bastante simples de entender matematicamente, e os físicos desenvolveram teorias que capturam todos os tipos de propriedades do cristal, desde como eles absorvem o calor até o que acontece quando eles quebram.

Mas o mesmo não pode ser dito de vítreo, materiais amorfos ou "desordenados", como o vidro de nossas janelas e vasos, Alimentos congelados, e certos plásticos. Não existem teorias amplamente aceitas para explicar seu comportamento físico.

Por quase 30 anos, físicos têm debatido se uma misteriosa transição de fase, presentes em modelos teóricos de materiais desordenados, também pode existir em óculos da vida real. Com a ajuda de alguma magia matemática emprestada da física de partículas - além de dezenas de páginas de cálculos algébricos, tudo feito à mão - o pós-doutorado da Duke University, Sho Yaida, desvendou esse mistério.

Os insights de Yaida abrem a possibilidade de que alguns tipos de vidro possam existir em um novo estado da matéria em baixas temperaturas, influenciando como eles respondem ao calor, som e estresse, e como e quando eles quebram.

"Encontramos indícios da transição que não ousamos dizer que eram evidências da transição porque parte da comunidade disse que ela não poderia existir, "disse Patrick Charbonneau, professor associado de química da Duke e conselheiro de Yaida. "O que Sho mostra é que ele pode existir."

Por incrível que pareça, Charbonneau disse, a matemática por trás dos óculos e outros sistemas desordenados é na verdade muito mais fácil de resolver assumindo que esses materiais existem em um hipotético universo de dimensão infinita. Em dimensões infinitas, suas propriedades podem ser calculadas com relativa facilidade - da mesma forma que as propriedades dos cristais podem ser calculadas para nosso universo tridimensional.

"A questão é se esse modelo tem alguma relevância para o mundo real." Charbonneau disse. Para os pesquisadores que realizaram esses cálculos, "a aposta era essa, conforme você muda a dimensão, as coisas mudam devagar o suficiente para que você possa ver como elas se transformam conforme você vai de um número infinito de dimensões para três, " ele disse.

Uma característica desses cálculos dimensionais infinitos é a existência de uma transição de fase - chamada de "transição de Gardner" em homenagem à física pioneira Elizabeth Gardner - que, se presente em copos, podem alterar significativamente suas propriedades em baixas temperaturas.

Mas essa transição de fase, claramente presente em dimensões infinitas, também existem em três? Na década de 1980, uma equipe de físicos produziu cálculos matemáticos mostrando que não, não poderia. Por três décadas, o ponto de vista prevalecente permaneceu que esta transição, embora teoricamente interessante, era irrelevante para o mundo real.

Isso é, até que experimentos e simulações recentes de Charbonneau e outros começaram a mostrar indícios disso em vidros tridimensionais.

"O novo impulso para olhar para isso é que, ao atacar o problema de formação de vidro, eles encontraram uma transição muito parecida com a que apareceu nesses estudos, "Charbonneau disse." E, neste contexto, pode ter aplicações materiais significativas. "

Yaida, que tem formação em física de partículas, deu uma segunda olhada nas antigas provas matemáticas. Esses cálculos não conseguiram encontrar um "ponto fixo" em três dimensões, um pré-requisito para a existência de uma transição de fase. Mas se ele desse o cálculo mais um passo, ele pensou, a resposta pode mudar.

Um mês e 30 páginas de cálculos depois, ele tinha.

"Momentos como esses são a razão de eu fazer ciência, "Yaida disse." É apenas um ponto, mas significa muito para as pessoas neste campo. Mostra que essa coisa exótica que as pessoas encontraram nos anos setenta e oitenta tem uma relevância física para este mundo tridimensional. "

Depois de um ano de verificações e novas verificações, além de outras 60 páginas ímpares de cálculos de suporte, os resultados foram publicados em 26 de maio em Cartas de revisão física .

"O fato de que essa transição possa realmente existir em três dimensões significa que podemos começar a procurá-la com seriedade, "Disse Charbonneau." Isso afeta a forma como o som se propaga, quanto calor pode ser absorvido, o transporte de informações através dele. E se você começar a cortar o vidro, como vai render, como vai quebrar. "

"Muda profundamente a forma como entendemos os materiais amorfos em geral, sejam eles plásticos amorfos ou pilhas de areia ou vidros de janela, " ele disse.