p Aprendemos na escola que a matéria vem em três estados:sólido, líquido e gás. Um aluno entediado e esperto (todos nós conhecemos um) então às vezes pergunta se o vidro é sólido ou líquido. p O aluno tem razão. Os vidros são "líquidos sólidos" estranhos que são resfriados tão rápido que seus átomos ou moléculas se congestionam antes de se organizarem nos padrões regulares de um sólido cristalino. Portanto, um vidro tem as propriedades mecânicas de um sólido, mas seus átomos ou moléculas são desorganizados, como aqueles em um líquido.

p Um sinal da estranheza do vidro é que a transição do líquido para o vidro é muito mais difusa do que a transição do líquido para o sólido cristalino. Na verdade, a transição vítrea é arbitrariamente definida como o ponto onde o material formador de vidro tem uma viscosidade de 1013 poise. (A viscosidade da água à temperatura ambiente é de cerca de 0,01 poise. Um óleo espesso pode ter uma viscosidade de cerca de 1,0 poise.) Neste ponto, é muito espesso para fluir e, portanto, atende à definição prática de um sólido.

p Os cientistas odeiam definições tão vagas, mas eles ficaram presos a este porque ninguém realmente entendeu a transição do vidro, que frequentemente aparece nas listas dos dez principais problemas não resolvidos da física.

p Em geral, os cientistas foram capazes de medir apenas as propriedades de massa de líquidos formadores de vidro, como viscosidade e calor específico, e as interpretações que surgiram dependeram em parte das medidas que tomaram. A literatura sobre vidro é notoriamente repleta de descobertas contraditórias e workshops sobre vidro são o palco para debates animados.

p Mas nos últimos quinze anos, novos arranjos experimentais que espalham raios-X ou nêutrons dos átomos em uma gota de líquido que é mantida sem um recipiente (o que provocaria a cristalização) permitiram que os cientistas finalmente medissem as propriedades atômicas do líquido. E é nesse nível que eles suspeitam que os segredos da transição vítrea estão escondidos.

p Em um desses estudos, Ken Kelton, o Arthur Holly Compton Professor em Artes e Ciências na Washington University em St. Louis, e sua equipe de pesquisa (Chris Pueblo, Washington University e Minhua Sun, Harbin Normal University, China) comparou uma medida da interação de átomos para diferentes líquidos formadores de vidro. Seus resultados, publicado online em Materiais da Natureza , reconciliar várias medidas de formação de vidro, um sinal de que eles estão no caminho certo.

p “Mostramos que o conceito de líquidos frágeis e fortes, que foi inventado para explicar por que a viscosidade muda de maneiras marcadamente diferentes à medida que um líquido esfria, na verdade vai muito mais fundo do que apenas a viscosidade, "Kelton disse." Em última análise, está relacionado com a repulsão entre os átomos, o que limita sua capacidade de se mover cooperativamente. É por isso que a distinção entre líquidos frágeis e fortes também aparece nas propriedades estruturais, propriedades elásticas e dinâmica. Eles são apenas diferentes manifestações dessa interação atômica. "

p Esta é a primeira vez que a conexão entre a viscosidade e as interações atômicas foi demonstrada experimentalmente, ele disse. Curiosamente, seus estudos e trabalhos de outros sugerem que a transição vítrea começa não na temperatura de transição vítrea convencional, mas sim a uma temperatura aproximadamente duas vezes mais alta em vidros metálicos (mais de duas vezes mais alta em vidros de silicato, como o vidro da janela). É nesse ponto, Kelton disse, os átomos primeiro começam a se mover cooperativamente.

p Detalhando até o nível atômico

p As últimas descobertas de Kelton seguem investigações anteriores de uma característica dos líquidos formadores de vidro chamada fragilidade. Para a maioria das pessoas, todos os vidros são frágeis, mas para os físicos, alguns são "fortes" e outros são "frágeis".

p A distinção foi introduzida pela primeira vez em 1995 por Austen Angell, um professor de química na Arizona State University, que sentiu que um novo termo era necessário para capturar diferenças dramáticas na forma como a viscosidade de um líquido aumenta à medida que se aproxima da transição vítrea.

p As viscosidades de alguns líquidos mudam gradual e suavemente à medida que se aproximam dessa transição. Mas à medida que outros líquidos são resfriados, sua viscosidade muda muito pouco no início, mas então decole como um foguete conforme a temperatura de transição se aproxima.

p No momento, Angell só podia medir a viscosidade, mas ele chamou o primeiro tipo de líquido de "forte" e o segundo tipo de "frágil" porque suspeitou que uma diferença estrutural estava subjacente às diferenças que viu,

p "É mais fácil explicar o que ele quis dizer se você pensar em um copo se tornando líquido e não o contrário, "Kelton disse." Suponha que um vidro seja aquecido através da temperatura de transição do vidro. Se for um sistema 'forte', ele 'lembra' a estrutura que tinha na forma de um vidro - que é mais ordenada do que em um líquido - e isso diz a você que a estrutura não muda muito durante a transição. Em contraste, um sistema 'frágil' rapidamente 'esquece' sua estrutura de vidro, que informa que sua estrutura muda muito durante a transição.

p "As pessoas argumentaram que a mudança na viscosidade tinha que estar relacionada à estrutura - por meio de vários conceitos intermediários, alguns dos quais não estão bem definidos, "Kelton acrescentou." O que fizemos foi pular essas etapas intermediárias para mostrar diretamente que a fragilidade estava relacionada à estrutura. "

p Em 2014, ele com membros de seu grupo publicado em Nature Communications os resultados de experimentos que mostraram que a fragilidade de um líquido formador de vidro se reflete em algo chamado fator de estrutura, uma quantidade medida espalhando raios-X em uma gota de líquido que contém informações sobre a posição dos átomos na gota.

p "Foi exatamente como Angell havia suspeitado, "Kelton disse." A taxa de ordenação atômica no líquido perto da temperatura de transição determina se um líquido é 'frágil' ou 'forte'. "

p Cotovelos atômicos pontiagudos

p Mas Kelton não estava satisfeito. Outros cientistas estavam encontrando correlações entre a fragilidade de um líquido e suas propriedades elásticas e dinâmica, bem como sua estrutura. "Tem que haver algo em comum, "ele pensou." Qual é a única coisa que poderia estar por trás de todas essas coisas? "A resposta, ele acreditou, tinha que ser a mudança de atração e repulsão entre os átomos conforme eles se aproximavam, que é chamado de potencial de interação atômica.

p Se dois átomos estão bem separados, Kelton explicou, há pouca interação entre eles e o potencial interatômico é quase zero. Quando eles se aproximam, eles são atraídos um pelo outro por uma variedade de razões. A energia potencial diminui, tornando-se negativo (ou atraente). Mas então, conforme eles se aproximam ainda, os núcleos dos átomos começam a interagir, repelindo um ao outro. A energia dispara.

p "É aquela parte repulsiva do potencial que estávamos vendo em nossos experimentos, "Kelton disse.

p O que eles descobriram quando mediram o potencial repulsivo de 10 ligas metálicas diferentes na Fonte Avançada de Fótons, uma linha de luz no Laboratório Nacional de Argonne, é que os líquidos "fortes" têm potenciais repulsivos mais acentuados e a inclinação de seu potencial repulsivo muda mais rapidamente do que os "frágeis". "O que isto significa, "Kelton disse, "é que os líquidos 'fortes' pedem mais rapidamente em altas temperaturas do que os 'frágeis'. Essa é a base microscópica da fragilidade de Angell.

p "O que é interessante, "Kelton continuou, "é que vemos átomos começando a responder cooperativamente - mostrando consciência uns dos outros - a temperaturas aproximadamente o dobro da temperatura de transição vítrea e perto da temperatura de fusão.

p "É aí que a transição do vidro realmente começa, "disse ele." À medida que o líquido esfria mais e mais, os átomos se movem cooperativamente até que jangadas de cooperação se estendam de um lado ao outro do líquido e os átomos congestionem. Mas esse ponto, a transição de vidro convencional, é apenas o ponto final de um processo contínuo que começa a uma temperatura muito mais alta. "

p Kelton logo participará de um workshop na Polônia, onde espera uma discussão animada de suas descobertas, que contradizem os de alguns de seus colegas. Mas ele está convencido de que se agarrou ao fio que o conduzirá para fora do labirinto, porque diferentes níveis de compreensão estão começando a se alinhar. "É emocionante que as coisas estejam indo tão bem, " ele disse.

p Copos, copos, em todos os lugares

p Ken Kelton buscou a transição vítrea por muitos anos porque a física é interessante e, ele confessa, porque ele simplesmente gosta de líquidos e copos. Mas quando ele pesquisa no Google as pessoas que citaram seus artigos, ele frequentemente descobre que elas trabalham na indústria. Isso ocorre porque os óculos estão por toda parte. A maioria de nós pensa em vidro como vidro de janela ou copos de bebida, mas muitos alimentos, drogas e plásticos também são óculos.

p O espaguete seco é duro e quebradiço porque é um copo. Quando é aquecido em água fervente, ele passa por uma transição para um estado "borrachento" que combina bem com o molho vermelho. O algodão doce é um vidro feito pelo derretimento de cristais de açúcar e, em seguida, girando-o para que os fios de açúcar derretido "congelem" na forma de um copo. Cheetos, biscoitos de camarão e leite em pó são todos copos, assim como muitos outros alimentos.

p As empresas farmacêuticas costumam usar secagem por spray ou liofilização para garantir que o medicamento seja vítreo em vez de cristalino. Muitos plásticos duros, como o polissitreno (amendoim de embalagem, lâminas de barbear descartáveis) e cloreto de polivinila (revestimento de vinil, encanamento) também são vidros.

p Cientistas industriais estão digitalizando os papéis de Kelton porque precisam controlar a transição do vidro e a transformação do vidro em um sólido cristalino para dar a seus produtos as propriedades desejáveis. As drogas em estado vítreo geralmente se dissolvem melhor no corpo, para que doses mais baixas sejam eficazes, e alguns medicamentos devem ser produzidos como vidros porque são insolúveis em sua forma cristalina. O controle da transição vítrea também é importante na produção de plásticos. Porque são óculos, plásticos rígidos têm uma "memória" de sua história térmica que afeta seu desempenho e envelhecimento.