Embora vários estudos anteriores tenham investigado a formação de cristais a partir de partículas idênticas, as condições em que as partículas não uniformes se cristalizam e os cristais resultantes desse processo ainda são pouco compreendidos. Em um estudo recente publicado em Cartas de revisão física ( PRL ), pesquisadores da Universidade Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg reuniram descobertas interessantes sobre a formação de cristais complexos a partir de esferas de tamanho disperso.

Partículas idênticas, como átomos ou partículas coloidais que são sintetizados para serem semelhantes uns aos outros, são conhecidos por terem baixa dispersidade. A dispersão é uma medida da heterogeneidade dos tamanhos das partículas ou moléculas em uma mistura.

A cristalização é um fenômeno muito comum em partículas idênticas, no entanto, é muito mais difícil de conseguir quando as partículas têm tamanhos diferentes (ou seja, alta dispersidade). Mesmo depois de passarem por um processo de síntese, partículas frequentemente exibem dispersidade significativa, particularmente se o processo de síntese não for cuidadosamente controlado.

"Nossa pesquisa mostra que a dispersão, enquanto inibe a cristalização, não proíbe totalmente, "Michael Engel, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Em vez de, novos tipos de cristais aparecem por meio de um processo denominado cristalização fracionada. A cristalização fracionada tem muitas aplicações tecnológicas e relevância na geologia. Nosso trabalho é o primeiro a confirmar a natureza precisa da cristalização fracionada nas partículas mais simples possíveis, esferas duras, sistematicamente usando simulações estatísticas avançadas. "

Em seu estudo, Engel e seus colegas usaram simulações de computador avançadas para modelar o movimento e o rearranjo das partículas ao longo do tempo. Enquanto faz isso, eles usaram um 'truque' numérico especial para trocar partículas com seus vizinhos e redimensioná-los, pois isso pode acelerar significativamente o processo de simulação.

"Os métodos anteriores não empregavam esse truque sistematicamente em função da distribuição de tamanho e da densidade do sistema, "Engel explicou.

Engel e seus colegas demonstraram que as esferas duras com uma distribuição de raio gaussiano e dispersão de até 19 por cento sempre cristalizam se forem comprimidas devagar o suficiente. Além disso, eles observaram que essa cristalização ocorre de maneiras surpreendentemente complexas.

"Descobrimos que as populações de partículas dispersas cristalizam com sucesso e como o fazem, "Engel disse." Na prática, alguma suavidade das partículas, muito tempo, e um conceito chamado dispersão dinâmica (ajuste contínuo de tamanho, forma ou carga) é importante para acelerar o processo de cristalização. Na verdade, algumas de nossas previsões já foram relatadas com sucesso antes em sistemas experimentais envolvendo átomos, nanopartículas com ligantes orgânicos, e micelas macias (como bolhas de sabão nanoscópicas). "

O estudo realizado por Engel e seus colegas oferece novos e valiosos insights sobre a formação de cristais complexos em esferas duras, mostrando as circunstâncias em que pode ocorrer. Suas observações também sugerem que pode haver uma ligação entre sistemas de partículas dispersas e ligas, que são metais feitos pela combinação de dois ou mais elementos metálicos.

"Nossos resultados sugerem uma conexão estreita entre sistemas de partículas dispersas e ligas, já que os cristais complexos (fases de Laves e outras fases de Frank-Kasper) que observamos são tradicionalmente bem conhecidos em ligas ". Engel disse." No futuro, as técnicas de simulação que desenvolvemos podem ser aplicadas a outras misturas de partículas que são tecnologicamente relevantes. "

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