Imagine os avanços na modelagem preditiva se você pudesse inferir algo sobre como a luz amplifica as cores na plumagem de um pássaro a partir da maneira como as ondas sísmicas se propagam pelos sistemas montanhosos.

Isso é um pouco de hipérbole que, no entanto, sugere a "bela" utilidade das novas fórmulas matemáticas desenvolvidas pelo Professor de Química de Princeton, Salvatore Torquato, e pelo estudante de graduação do sexto ano Jaeuk Kim, do Departamento de Física, à medida que avançam nossa compreensão de como diferentes tipos de ondas se comportam materiais internos.

Torquato, o professor Lewis Bernard de Ciências Naturais e diretor do Grupo de Teoria de Materiais Complexos, publicou pesquisa esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) vinculando fenômenos de onda que nunca foram vinculados anteriormente. Pela primeira vez, a pesquisa emprega uma abordagem unificada que funde o comportamento das ondas elastodinâmicas (sonoras) com as ondas eletromagnéticas (luz) à medida que se propagam através de formas heterogêneas, ou composto, materiais.

Torquato e Kim também demonstram que a maneira como essas ondas se movem através de um material heterogêneo, por sua vez, elucida características da própria microestrutura do material. A microestrutura - o arranjo espacial dos diferentes materiais que compõem o material heterogêneo - afeta a maneira como as ondas se propagam.

Esta é a ideia básica por trás dos exames de ultrassom, ou ultra-sonografia, que criam imagens de estruturas dentro do seu corpo.

Um sistema homogêneo consiste em um único material. Um heterogêneo, ou composto, sistema é uma mistura. Mas a mistura desses materiais individuais - chamados de fases - não se combinam uniformemente; eles habitam domínios distintos dentro desse sistema. As ondas de luz e som se movem através de um determinado composto e, à medida que encontram diferentes fases com diferentes propriedades físicas, eles se comportam de maneira diferente, espalhar, e interferir. Devido à interferência resultante, as velocidades das ondas mudam e as ondas podem atenuar, ou perder energia.

As fórmulas desenvolvidas nesta pesquisa permitirão aos cientistas prever como as ondas agem nesses sistemas complexos sem ter que resolver dois conjuntos de equações diferenciais que governam as ondas de luz e som, respectivamente. Eles podem estimar as velocidades de onda efetivas e o grau de atenuação, ou a taxa na qual as ondas se degradam dentro de um material, para uma gama mais ampla de comprimentos de onda do que aquela em que as teorias anteriores operam.

“O que estamos prevendo é o comportamento efetivo dessa onda por meio de um sistema complicado, "disse Torquato, um químico teórico. "E acontece que as propriedades efetivas das ondas eletromagnéticas e elastodinâmicas dependerão dos comprimentos de onda associados a essas ondas em particular.

"Ondas de luz, por exemplo, são governados pelas equações diferenciais de Maxwell para ondas eletromagnéticas. As ondas sonoras são governadas por outro conjunto de equações diferenciais. Normalmente, quando você está trabalhando em fenômenos de ondas, você tem essas duas comunidades que normalmente não se falam, "acrescentou Torquato." O que fizemos, que está fora da caixa, é criar uma formulação que nos permita atacar cada problema de maneira unificada.

"Então, combinamos as fórmulas para mostrar que se você pode me dizer a resposta de um material a uma onda eletromagnética, Posso dizer algo sobre a resposta desse mesmo material às ondas sonoras. Então agora, você tem essas fórmulas preditivas que podem ser aplicadas para que não precise validar constantemente a teoria por meio de simulações de computador completas sempre que alterar os parâmetros. Você é capaz de acessar e prever fenômenos que as pessoas nem mesmo podiam contemplar antes. "

Os centros de pesquisa em sistemas heterogêneos porque esses sistemas são ideais para alcançar vários tipos de propriedades desejadas, chamada multifuncionalidade, o que significa que as melhores propriedades dos compostos podem ser combinadas para exibir respostas específicas aos diferentes tipos de ondas. Os materiais podem então ser projetados, por exemplo, para absorver ondas ou permitir que sejam transmitidas sem atenuação.

"Projetos multifuncionais anteriores focaram principalmente no transporte estático e nas propriedades elásticas porque as teorias convencionais não eram precisas na previsão de fenômenos de onda, "disse Kim." Assim, nossa teoria ajudará no projeto racional de compostos multifuncionais com as características de onda desejadas. "

Dirigindo-se a uma futura aplicação, essas fórmulas podem permitir o design de novos, materiais multifuncionais que exibem respostas específicas às ondas, pavimentando o caminho para materiais hiperuniformes projetados com propriedades eficazes exóticas. Eles podem um dia permitir o projeto de compostos multifuncionais que podem incluir componentes estruturais para espaçonaves, que requerem alta rigidez e absorção eletromagnética, ou dissipadores de calor para unidades de processamento central (CPUs) e outros dispositivos elétricos que podem suprimir simultaneamente vibrações mecânicas.

"Este trabalho foi bem-sucedido graças aos insights do Professor Torquato no trabalho em várias disciplinas. Foi emocionante unir o conhecimento de duas comunidades diferentes - óptica e acústica - para realizar esta pesquisa, "disse Kim.