Os físicos da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) provaram que embalagens aleatórias de discos do mesmo tamanho entre paredes paralelas sempre formam uma estrutura periódica, independentemente da largura do contêiner. Os resultados, que deve ajudar os cientistas a entender melhor as propriedades de empacotamento das micropartículas, já foram publicados na renomada revista Cartas de revisão física .
As pessoas se perguntam quais padrões deveriam ser usados para embalar objetos na maior densidade em recipientes por vários séculos. Já em 1611, Johannes Kepler sugeriu que nenhum arranjo de esferas do mesmo tamanho tinha uma densidade maior do que as camadas deslocadas em redes hexagonais. Embora embalagens de esferas despejadas aleatoriamente em uma caixa tenham uma densidade média de cerca de 65 por cento, uma densidade de cerca de 74 por cento pode ser alcançada com a estrutura periódica de empacotamento hexagonal. A teoria de Kepler foi finalmente comprovada em 2014 por meio de simulações de computador complexas.
Em conjunto com colegas do Brasil e dos EUA, físicos da FAU descobriram agora que, quando as esferas são despejadas aleatoriamente em um recipiente, eles sempre formam uma estrutura periódica. Eles foram capazes de confirmar isso com experimentos bidimensionais. Em uma série de simulações de computador, os pesquisadores colocaram até 10 milhões de discos do mesmo tamanho em várias posições em um recipiente retangular aberto. Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que uma estrutura periódica se formou durante cada uma das simulações. "No nosso caso, periódico significa que existem equivalentes para cada partícula que se repetem na mesma posição no eixo x em intervalos regulares, "explica o Prof. Dr. Thorsten Pöschel do Instituto de Simulação Multiescala de Sistemas de Partículas da FAU. O padrão de discos e vazios que se forma continua para cima de maneira uniforme, com uma média de quatro contatos por disco.
Contudo, esses padrões periódicos não se formam imediatamente. Inicialmente, existe uma fase desordenada que se caracteriza principalmente por espaços maiores ou por grupos de discos que têm mais ou menos de quatro contatos. Embora o nível de preenchimento no qual os discos formam uma estrutura periódica possa variar muito entre os recipientes da mesma largura, este nível médio aumenta quando a distância entre as paredes do contêiner aumenta. Ou, colocando de outra forma, quanto mais largo o canal, mais camadas devem ser despejadas até que os discos formem padrões periódicos. Isso ocorre porque existem mais maneiras de os discos se organizarem em posições desordenadas no início do processo de enchimento, e isso continua para cima em significativamente mais camadas do que em recipientes estreitos. Mas, independentemente da largura do contêiner, os pesquisadores conseguiram demonstrar que a probabilidade de um canal ainda não ser periódico diminui exponencialmente com o aumento do nível de preenchimento.
Os resultados devem ajudar a aumentar a compreensão das propriedades de empacotamento de micropartículas monodispersas e polidispersas. Empacotar partículas tão densamente quanto possível é a chave para várias aplicações práticas, por exemplo, para minimizar a porosidade do material durante os processos de impressão 3-D e outros métodos de manufatura aditiva, aumentando assim a resistência de novos materiais.
Os resultados do projeto já foram publicados em Cartas de revisão física , intitulado "Início sistemático de padrões periódicos em embalagens de disco aleatórias".
