Cientistas do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio usaram simulações de dinâmica molecular para entender melhor as propriedades incomuns de sólidos amorfos, como o vidro. Eles descobriram que certos defeitos dinâmicos ajudam a explicar os modos vibracionais permitidos dentro do material. Este trabalho pode levar ao controle das propriedades de materiais amorfos.
Às vezes, o vidro caro é anunciado como "cristal", mas para os cientistas de materiais, isso não poderia estar mais longe da verdade. Os cristais são formados por átomos dispostos em padrões ordenados e repetidos, enquanto o vidro é um sólido amorfo e desordenado. Os cientistas sabem que, em baixas temperaturas, muitos materiais desordenados têm propriedades muito semelhantes entre si, incluindo calor específico e condutividade térmica. Além disso, essas propriedades diferem significativamente daquelas de materiais feitos de cristais ordenados. Além disso, em uma determinada faixa de frequência, os materiais vítreos têm um número maior de modos de vibração disponíveis do que os cristais, conhecidos no campo como "pico de bóson". Embora várias teorias tenham sido propostas, os mecanismos físicos subjacentes a essas observações permaneceram uma questão de pesquisa ativa.

Agora, cientistas da Universidade de Tóquio usaram simulações de computador de dinâmica molecular sofisticadas para calcular numericamente os fatores de estrutura dinâmica transversal e longitudinal de óculos modelo em uma ampla faixa de frequências. Eles descobriram que os movimentos vibracionais semelhantes a cordas, nos quais linhas curvas de partículas compactadas em forma de "C" dentro do material podem se mover juntas, foram considerados importantes impulsionadores dos efeitos anômalos. “Esses defeitos dinâmicos fornecem uma explicação comum para a origem dos modos dinâmicos mais fundamentais dos sistemas vítreos”, diz o primeiro autor Yuan-Chao Hu. Além do pico do bóson, esses defeitos dinâmicos semelhantes a cordas podem comprometer os tipos de relaxamento rápido e lento observados nas partículas que compõem o vidro.

Esta pesquisa tem muitas implicações importantes para a ciência básica e aplicações industriais porque o pico do bóson é encontrado em muitos sistemas, não apenas em vidros. “Mostramos que o pico do bóson se origina de vibrações quase localizadas de defeitos dinâmicos semelhantes a cordas”, diz o autor sênior Hajime Tanaka. Ser capaz de explicar esse recurso lançará luz sobre muitos outros tipos de materiais desordenados. Também beneficiará muitos usuários de dispositivos inteligentes, porque quase todos os smartphones, tablets e laptops com tela sensível ao toque contam com materiais de vidro que os resultados deste estudo podem melhorar.

O trabalho é publicado em Nature Physics . + Explorar mais

Lançando uma luz sobre sistemas desordenados e fractais