A primeira evidência experimental para validar uma lei universal recém-publicada que fornece informações sobre os estados de energia complexos para líquidos foi encontrada usando uma técnica nuclear avançada na ANSTO.
O trabalho acaba de ser publicado no Journal of Physical Chemistry Letters como a escolha do editor e destaque na capa da revista.

A equação para a densidade vibracional de estados formulada por Alessio Zaccone e Matteo Bagglioli foi publicada em um artigo no PNAS em 2021, fornecendo uma resposta a uma pergunta que tem sido indescritível há pelo menos um século.

A elegante teoria matemática resolveu o problema de obter a distribuição desses estados complexos de energia para líquidos.

"Uma das quantidades mais importantes da física da matéria é a distribuição das frequências ou energias vibracionais das ondas que se propagam no material. É particularmente importante porque é o ponto de partida para calcular e compreender algumas propriedades fundamentais da matéria, como calor específico e condutividade térmica, e a interação luz-matéria", disse o professor Zaccone no site da Universidade de Milão.

"O grande problema com os líquidos é que, além das ondas acústicas, existem outros tipos de excitações vibracionais relacionadas às baixas energias do movimento desordenado de átomos e moléculas - excitações que estão quase ausentes em sólidos. Essas excitações são tipicamente de curta duração. e estão ligados ao caos dinâmico dos movimentos moleculares, mas são, no entanto, muito numerosos e importantes, especialmente em baixas energias. Matematicamente, essas excitações, conhecidas como 'modos normais instantâneos' ou INMs na literatura especializada, são muito difíceis de lidar, pois correspondem a estados de energia descritos por números imaginários."

O espectrômetro de nêutrons de tempo de voo Pelican no Centro de Espalhamento de Nêutrons da ANSTO tem sido usado para medir as densidades vibracionais dos estados de vários sistemas líquidos, incluindo água, metal líquido e líquidos poliméricos. O instrumento Pelican possui extrema sensibilidade para medir vibrações rotacionais e translacionais em curtos intervalos de tempo e em baixas energias.

Os experimentos na ANSTO confirmaram a relação linear da densidade vibracional dos estados com frequência em baixas energias como previsto por Alessio Zaccone e Matteo Bagglioli, conforme mostrado na figura abaixo.

Com o bloqueio do COVID, sem acessibilidade aos instrumentos, a pequena equipe que incluiu o Ph.D. da Universidade de Wollongong. O candidato Caleb Stamper, Dr. Cortie e Dr. Yu decidiram se concentrar em reanalisar dados experimentais passados ​​de uma nova perspectiva, para validar a nova lei, inspirada no trabalho teórico de Alessio Zaccone e Matteo Bagglioli.

"O exercício não apenas alcança um resultado tão grande, mas também fornece uma boa introdução à espectroscopia de nêutrons para Caleb, que fez um excelente trabalho", disse o Dr. Yu como supervisor da ANSTO de Caleb e autor correspondente do artigo.

O trabalho também os ajudaria a abordar questões relacionadas a transições de fase em líquidos superiônicos em seu trabalho em materiais termoelétricos.

"Os principais desafios surgem porque os líquidos não são mecanicamente estáveis, pois os átomos em um líquido se difundem e o líquido como um todo fluirá", explicou o Dr. Cortie.

A lei universal é baseada em uma estrutura teórica, conhecida como modos normais instantâneos, conforme descrito pelo Prof Zaccone acima, que prescreve um conjunto de forças instantâneas, frequências e velocidades como quantidades.

Uma complicação em derivar uma teoria para prever a densidade vibracional de estados em líquidos surgiu devido à presença de uma pequena fração de "modos imaginários".

"Modos imaginários são importantes porque representam o fato de que um líquido não é estável. Os átomos em um líquido estão interagindo fortemente uns com os outros o tempo todo, mas não da mesma forma que um sólido. A relação não é 'harmônica', o que significa que os átomos não serão restaurados à mesma configuração após uma interação. Os átomos continuarão a se difundir rapidamente e deslizarão uns pelos outros", disse Stamper.

"Os modos imaginários refletem a curvatura negativa na superfície de energia potencial de um líquido. É uma paisagem de energia muito complexa, mas se você pensar na analogia de um surfista em uma onda do mar. Os átomos no líquido seguem as curvas da onda em si (veja a capa da revista). Mas os átomos podem estar em uma posição na crista, sob a prancha de surf ou na calha, sempre em movimento", disse o Dr. Yu.

"A lei desempenhará, para os líquidos, o mesmo papel central que a lei Debye desempenha para os sólidos. Ela servirá de base para todo o campo de pesquisa envolvendo líquidos e além." + Explorar mais

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