Substâncias vítreas estão por toda parte, no entanto, este estado da matéria não é completamente compreendido. A imagem básica é bastante clara - os vidros são sólidos que carecem da estrutura atômica regular de um cristal. Como e por que eles se formam, Contudo, são questões que mantiveram os físicos ocupados por décadas. Agora, pesquisas do Japão mostraram que a formação do vidro pode ser compreendida se a estrutura do líquido for adequadamente descrita.

No Revisão Física X , pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial (IIS) da Universidade de Tóquio fornecem um estudo detalhado das mudanças estruturais durante a transição vítrea. Em um conjunto bem projetado de simulações de dinâmica molecular, eles visavam resolver se o processo é fundamentalmente termodinâmico (dependente de alguma forma de ordem estática) ou dinâmico (conduzido por movimentos atômicos aleatórios).

A equipe simulou líquidos super-resfriados perto do ponto de transição, a temperatura em que a difusão das partículas para e um sólido amorfo aparece. O objetivo era encontrar uma ligação entre os padrões estruturais e a desaceleração do movimento atômico, ou seja, se os átomos em estruturas emergentes são menos móveis do que em regiões desordenadas. Se existe, esta correlação estrutura-dinâmica verificaria que a termodinâmica controla a formação de vidros, assim como para os cristais. Isso seria um grande passo em direção a uma teoria universal. Contudo, uma vez que os óculos são aparentemente desordenados de longo alcance, a importância da ordem local é indescritível.

Em cada simulação, a equipe quantificou o quão bem os átomos se agruparam no líquido de resfriamento medindo um parâmetro de ordem estrutural. Como explica o autor do estudo, Hua Tong, "Tivemos o cuidado de definir pedido como qualquer embalagem local estericamente favorecida, não apenas empacotamento cristalino. Quando os átomos foram classificados por este critério e, em seguida, quantificados por seus ambientes, conhecido como granulação grossa, surgiu uma correlação clara entre a ordem estrutural e a dinâmica. ”Em outras palavras:átomos mais ordenados eram de fato menos móveis.

A formação do vidro ocorre em duas escalas de tempo:um processo alfa (α) lento e um processo beta (β) rápido. A ligação entre esses modos é - como muitas outras coisas na teoria do vidro - envolta em mistério. A equipe do IIS descobriu que a correlação estrutura-dinâmica era mais forte quando um comprimento específico era usado para granulação grossa. Este comprimento, que aumenta gradualmente conforme o líquido esfria, perfeitamente corresponde ao comprimento característico da heterogeneidade dinâmica que maximiza na escala de tempo α. Enquanto isso, o tamanho dos próprios átomos está ligado ao modo β rápido. Portanto, cada líquido formador de vidro depende deste par de intrínsecos, comprimentos característicos.

"A descoberta dessas escalas de comprimento resolve dois problemas ao mesmo tempo, "o autor Hajime Tanaka diz." Primeiro, usando estatísticas robustas, mostramos que a formação do vidro é realmente termodinâmica. Apesar de sua aparente aleatoriedade, líquidos vítreos mostram uma ordenação sutil, embora menos direcionalmente do que em cristais. Segundo, os modos α e β têm uma origem estrutural comum, embora sigam escalas de comprimento diferentes. Isso revela uma ligação intrínseca entre esses dois modos dinâmicos importantes. Agora, a questão é se a ligação estrutura-dinâmica é mais do que apenas uma correlação. No futuro, esperamos encontrar uma causalidade direta. "

O artigo, "Revelando a ordem estrutural oculta que controla a dinâmica vítrea rápida e lenta em líquidos super-resfriados, "foi publicado em Revisão Física X em doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011041