O novo algoritmo da equipe é capaz de simular configurações moleculares de líquidos super-resfriados abaixo da transição vítrea. As propriedades dessas configurações estão ajudando a resolver um paradoxo de 70 anos sobre a entropia dos vidros. Crédito:Misaki Ozawa e Andrea Ninarello, Université de Montpellier
Se você pudesse colocar um par de óculos de natação, encolha-se como um personagem de The Magic School Bus e mergulhe fundo em um líquido, você veria uma multidão de moléculas festejando como se estivéssemos em 1999.
Todo esse movimento frenético torna mais fácil para as moléculas se reorganizarem e para o líquido como um todo mudar de forma. Mas para líquidos super-resfriados - líquidos como mel que são resfriados abaixo de seu ponto de congelamento sem cristalizar - a temperatura mais baixa desacelera a dança como "At Last" de Etta James. Abaixe a temperatura o suficiente, e a desaceleração pode ser tão dramática que leva séculos ou até milênios para que as moléculas se reorganizem e o líquido se mova.
Os cientistas não podem estudar processos que duram mais do que suas carreiras. Mas os químicos da Duke e seus colaboradores da Fundação Simons encontraram uma maneira de enganar o tempo, simulando a dança lenta de líquidos profundamente super-resfriados. Pelo caminho, eles descobriram novas propriedades físicas de vidros e líquidos super-resfriados "envelhecidos".
Para entender o quão lento os líquidos super-resfriados se movem, considere o experimento mais antigo do mundo, o Experimento de Pitch Drop da Universidade de Queensland. Uma única gota de piche se forma a cada oito a treze anos - e esse piche está se movendo mais rápido do que líquidos super-resfriados.
"Experimentalmente, há um limite para o que você pode observar, porque mesmo que você tenha conseguido fazer isso ao longo de toda a sua carreira, isso ainda é um máximo de 50 anos, "disse Patrick Charbonneau, professor associado de química e física na Duke. "Para muitas pessoas que era considerado um teto de vidro duro, além do qual você não poderia estudar o comportamento de líquidos super-resfriados. "
Crédito:Ruben Alexander via Flickr
Charbonneau, que é um especialista em simulações numéricas, disse que o uso de computadores para simular o comportamento de líquidos super-resfriados tem limitações de tempo ainda maiores. Ele estima que, dada a taxa atual de avanço do computador, levaria de 50 a 100 anos antes que os computadores fossem poderosos o suficiente para que as simulações excedessem as capacidades experimentais - e mesmo assim as simulações levariam meses.
Para quebrar esse teto de vidro, o grupo Charbonneau colaborou com Ludovic Berthier e sua equipe, que estavam desenvolvendo um algoritmo para contornar essas restrições de tempo. Em vez de levar meses ou anos para simular como cada molécula em um líquido super-resfriado balança até que as moléculas se reorganizem, o algoritmo escolhe moléculas individuais para trocar de lugar entre si, criando novas configurações moleculares.
Isso permite que a equipe explore novas configurações que podem levar milênios para se formarem naturalmente. Esses líquidos "profundamente super-resfriados e vidros ultra-envelhecidos" têm uma energia mais baixa, e mais estável, do que qualquer observado antes.
Os vidros que crescem uma camada de cada vez têm uma estrutura muito diferente dos vidros grossos. A equipe usou seu novo algoritmo para estudar como as moléculas nesses vidros se reorganizam, e descobri que em baixas temperaturas (direita), apenas as moléculas na superfície são móveis. Os resultados podem ser usados para projetar melhores tipos de vidro para administração de drogas ou revestimentos de proteção. Crédito:Elijah Flenner
"Estávamos enganando o tempo no sentido de que não precisávamos seguir a dinâmica do sistema, "Charbonneau disse." Fomos capazes de simular líquidos super-resfriados muito além do possível em experimentos, e abriu muitas possibilidades. "
Verão passado, a equipe usou essa técnica para descobrir uma nova transição de fase em vidros de baixa temperatura. Eles publicaram recentemente dois estudos adicionais, um dos quais lança luz sobre o "paradoxo de Kauzmann, "uma questão de 70 anos sobre a entropia de líquidos super-resfriados abaixo da transição vítrea. A segunda explora a formação de vidros com depósito de vapor, que têm aplicações na entrega de drogas e revestimentos protetores.
"A natureza tem apenas uma maneira de equilibrar, apenas seguindo a dinâmica molecular, "disse Sho Yaida, um pós-doutorado no laboratório de Charbonneau. "Mas a grande vantagem das simulações numéricas é que você pode ajustar o algoritmo para acelerar seu experimento."
