Uma equipe liderada pela Caltech recentemente resolveu um mistério da ciência dos materiais de décadas atrás, rastreando a origem da entropia em vidros metálicos.

Tipicamente, átomos na maioria dos materiais se organizam em padrões repetíveis estáveis ​​ao longo de uma grade, formando o que é geralmente referido como cristais. Por contraste, vidros metálicos são metais que foram aquecidos até se liquefazerem, e então resfriam tão rapidamente que não têm tempo de cristalizar antes de solidificar. Em vez de, eles têm um amorfo, estrutura de nível atômico semelhante a líquido que lhes confere propriedades físicas únicas.

Um mistério persistente sobre vidros metálicos ocorre na chamada "transição vítrea". Um vidro metálico frio é duro e quebradiço, mas quando é aquecido além de um certo ponto - a transição vítrea - torna-se macio.

Na transição do vidro, os cientistas notaram um aumento repentino na entropia do material que está sendo aquecido. Em termodinâmica, entropia é a quantidade de energia em um sistema que não está disponível para trabalhar - que está ligada à quantidade de aleatoriedade em um sistema. No que se refere às transições de fase, imagine o gelo derretendo na água. Quando as moléculas de água estão presas na estrutura cristalina do gelo, eles estão em um estado de baixa energia com localizações bastante previsíveis. Quando o gelo derrete em um líquido, essas moléculas de água podem fluir para quase qualquer posição, que é um aumento na aleatoriedade - a entropia - do sistema.

"A origem da enorme entropia do vidro e do líquido em comparação com o cristal tem sido discutida na literatura científica desde que os vidros metálicos foram descobertos na Caltech em 1960, "diz Hillary Smith da Caltech (MS '10, PhD '14), autor principal de um artigo recente sobre entropia em vidros metálicos que foi publicado em Física da Natureza . Smith é um pesquisador do laboratório de Brent Fultz, Barbara e Stanley R. Rawn, Jr., Professor de Ciência de Materiais e Física Aplicada na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas da Caltech, e coautor do artigo.

A equipe se concentrou em distinguir entre a quantidade de "entropia configuracional" e "entropia vibracional" - as duas principais fontes de entropia na maioria dos materiais - em vidros metálicos.

Imagine despejar um saco de moedas em uma mesa, e depois contando quantos acertou heads-up versus tails-up. É possível obter todas as caras ou todas as coroas, mas é estatisticamente mais provável que obtenha cerca de meia cara e meia coroa porque há mais maneiras de as moedas se organizarem em uma configuração de meia e meia do que em uma configuração de todas as caras. Em termodinâmica, dir-se-ia que o arranjo de meias-cabeças / meias-caudas tem uma entropia configuracional mais alta.

Contudo, átomos (ao contrário de moedas) não ficam parados, mas sim vibrar em sua posição. A quantidade dessa entropia vibracional é determinada, em parte, pela rigidez da estrutura que mantém seus átomos no lugar.

"Medindo com precisão a quantidade desse calor que vem das configurações dos átomos e a quantidade que vem das vibrações dos átomos, conseguimos pôr fim a essa controvérsia para os vidros metálicos, "Smith diz.

A equipe avaliou primeiro a entropia vibracional dos metais nas formas de vidro e cristal. Para fazer isso, eles usaram feixes de nêutrons intensos no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee, para bombardear cada material, tocando cada amostra como um sino e medindo como ela respondeu. Eles também mediram a entropia total do vidro e do cristal usando uma técnica chamada calorimetria.

"Medir a quantidade de entropia que vem das vibrações dos átomos em um vidro não era possível uma década atrás, "Smith diz." Foi somente graças aos feixes de nêutrons incrivelmente intensos disponíveis em Oak Ridge que pudemos fazer este experimento. Finalmente, encontramos a peça que faltava para validar uma teoria muito debatida que nunca havia sido testada. "

Eles descobriram que, embora a entropia total no vidro seja muito maior do que no cristal, suas entropias vibracionais são quase idênticas. Isso indica que a entropia na estrutura de vidro surge quase exclusivamente de como os átomos se organizam; isso é, da entropia configuracional.

Próximo, a equipe planeja investigar outros tipos de óculos para determinar se o resultado é universal para todos os óculos.