Uma esfera e um cubo podem ser deformados um no outro sem cortes ou pontos. Uma caneca e um copo não podem porque, para deformar o primeiro no segundo, a alça precisa ser quebrada. A topologia é o ramo da matemática que formaliza essa diferença entre canecas e copos, estendendo-o também a espaços abstratos com muitas dimensões. Uma nova teoria desenvolvida por cientistas da SISSA em Trieste conseguiu estabelecer uma nova relação entre a presença ou ausência de 'alças' no espaço dos arranjos de átomos e moléculas que constituem um material, e a propensão deste último a conduzir eletricidade. De acordo com esta teoria, os materiais isolantes 'equipados com alças' podem conduzir eletricidade, bem como metais, ao mesmo tempo em que retém propriedades típicas de isoladores, como transparência.

A pesquisa, que acaba de ser publicado no jornal Revisão Física X , é o mais recente do fascinante e próspero mundo da topologia, uma disciplina abstrata que dá um controle potente (trocadilho intencional!) para algumas das propriedades mais exóticas da matéria. Desta maneira, cientistas da Escola de Trieste investigaram como estimar rigorosamente o transporte de carga e as correntes em fluidos iônicos genéricos, de acordo com a natureza quântica do material.

Assim, eles desenvolveram uma teoria para explicar os fenômenos físicos que são conhecidos há mais de um século, mas que até agora careciam de uma base interpretativa rigorosa e estrutura preditiva, estabelecendo assim as bases para os principais desenvolvimentos tecnológicos, por exemplo, no campo de materiais termoelétricos.

Metais e água mineral, reflexão e transparência

“Normalmente dividimos os materiais em condutores e isolantes de acordo com sua propensão a conduzir eletricidade ou não, "explicam os autores da pesquisa Paolo Pegolo, Federico Grasselli e Stefano Baroni. "Em um metal, que é um condutor típico, alguns elétrons se movem livremente dentro da rede de cristal iônico. Contudo, alguns líquidos, como água mineral, também conduzem eletricidade, graças ao transporte de íons carregados que se dissolvem neles. Nesse caso, falamos de condutores iônicos, que são transparentes, enquanto os metais são reflexivos. "Os fluidos iônicos foram o foco do estudo recente." Queríamos desenvolver uma teoria baseada na natureza quântica dos átomos e capaz de descrever o transporte de carga neste tipo de condutores "explicam os cientistas." do fenômeno também pode ser útil para criar novos materiais com propriedades elétricas sem precedentes. "

Topologia a serviço da física

Os estudiosos tomaram emprestadas as ferramentas matemáticas da topologia. Pegolo, A teoria de Grasselli e Baroni relacionou, assim, o transporte em fluidos iônicos com a existência em um espaço abstrato de estruturas que apresentam orifícios ou alças. “Se essas estruturas existem, é possível transportar elétrons sem mover os íons, melhorando significativamente as propriedades de condução elétrica de um material, deixando-o não metálico e, portanto, transparente. Na ausência de orifícios ou alças, os elétrons permanecem ligados ao seu átomo e a condução é menos eficiente. "" Esses fenômenos, "continuam os pesquisadores" são conhecidos na física há pelo menos cem anos. Nossa pesquisa dá a eles uma base matemática elegante e poderosa e uma estrutura de suporte teórico confiável. "

Possíveis desenvolvimentos tecnológicos

Esta teoria encontra aplicação na ciência de materiais termoelétricos, que tanto mais eficientes quanto mais conseguem garantir a condução da eletricidade sem aquecimento. Os pesquisadores concluem, “Os materiais descritos nesta teoria não possuem propriedades metálicas e, portanto, favorecem o isolamento térmico, mas a presença de elétrons suficientemente móveis para serem transportados aumenta sua condutividade elétrica. Ambos são qualidades importantes que, no nível tecnológico, poderia contribuir muito para o desenvolvimento de dispositivos mais eficientes e avançados. "

A ciência dos materiais eletrolíticos também pode se beneficiar dos resultados desta pesquisa, em que uma melhor compreensão da condução na ausência de metalicidade pode levar ao projeto de baterias que são eficientes e eletroquimicamente estáveis.