Nova pesquisa publicada em Nature Physics detalha a relação entre o arranjo de partículas individuais de um material desordenado e como ele reage aos estressores externos. O estudo também descobriu que esses materiais têm "memória" que pode ser usada para prever como e quando eles vão fluir. O estudo foi liderado por Larry Galloway, Ph.D. estudante no laboratório de Paulo Arratia, e Xiaoguang Ma, ex-pós-doutorado no laboratório de Arjun Yodh, em colaboração com pesquisadores dos laboratórios de Douglas Jerolmack e Celia Reina.
Um material desordenado é arranjado aleatoriamente na escala de partículas, e. átomos ou grãos, em vez de serem distribuídos sistematicamente - pense em uma pilha de areia em vez de uma parede de tijolos empilhada ordenadamente. Pesquisadores do laboratório Arratia estão estudando essa classe de materiais como parte do Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da Penn, onde um dos focos do programa é entender a organização e a proliferação de rearranjos em escala de partículas em materiais amorfos e desordenados.

A questão-chave neste estudo era se alguém poderia observar a estrutura de um material desordenado e ter alguma indicação de quão estável é ou quando pode começar a se desintegrar. Isso é conhecido como limite de escoamento, ou quando o material "flui" e começa a se mover em resposta a forças externas. "Por exemplo, se você olhar para os grãos de um castelo de areia e como eles estão dispostos, posso dizer se o vento pode derrubá-lo ou se ele deve ser atingido com força para cair?" diz Arratia. "Queremos saber, apenas observando a maneira como as partículas estão organizadas, se podemos dizer alguma coisa sobre a maneira como elas vão fluir ou se vão fluir."

Embora se saiba que a distribuição de partículas individuais influencia o ponto de escoamento, ou fluxo, em materiais desordenados, tem sido um desafio estudar esse fenômeno, uma vez que o campo não possui maneiras de "quantificar" a desordem em tais materiais. Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores colaboraram com colegas de todo o campus para combinar conhecimentos nas áreas de experimentação, teoria e simulações.

Para os experimentos, os pesquisadores rastreiam partículas individuais no topo de uma interface líquido-ar semelhante à aparência do pó de café flutuando na água, dizem os pesquisadores. Em seguida, eles usam uma agulha magnética que se move para frente e para trás para aplicar uma força de cisalhamento. Com esse sistema, os pesquisadores são capazes de aplicar sistematicamente forças a 50.000 partículas, rastrear seu movimento detalhado e usar análises de imagens complexas para ver se, por exemplo, duas partículas vizinhas permanecem próximas uma da outra após a aplicação de uma força de cisalhamento.

Um dos desafios deste estudo foi encontrar uma métrica que pudesse ajudar a caracterizar o transtorno; para fazer isso, os pesquisadores se voltaram para um conceito conhecido como excesso de entropia. Embora essa ideia tenha sido usada antes para estudar líquidos simples, sua aplicação nesses sistemas granulares maiores – onde a temperatura não influencia o movimento das partículas – era conceitualmente muito nova, diz Galloway. "Estamos pegando a termodinâmica e aplicando alguns de seus conceitos a algo que as pessoas geralmente não acham que a termodinâmica se aplica", diz ele.

Para ajudar a conectar seus resultados experimentais às teorias de excesso de entropia, o laboratório Arratia trabalhou com colegas do grupo Reina, que têm experiência teórica em termodinâmica de não equilíbrio, bem como colegas do laboratório Yodh, que experimentaram conceitos de excesso de entropia para elucidar sistemas de equilíbrio e não-equilíbrio. Além disso, o grupo de Jerolmack compartilhou sua experiência no estudo do fluxo de partículas para ajudar a conectar os complexos resultados experimentais com simulações.

Uma das descobertas mais significativas deste estudo é que materiais desordenados podem "lembrar" as forças que foram aplicadas a eles e que essa memória pode ser medida observando as distribuições de partículas individuais. “Se você ampliar e observar onde estão todas as partículas diferentes, poderá ler quais memórias estão armazenadas lá”, diz Galloway.

Os pesquisadores também descobriram que materiais desordenados perdem essa memória quando um limite de tensão é ultrapassado, o que ocorre ao mesmo tempo em que o material atinge seu ponto de escoamento e começa a fluir. "Se você aplicar um pouco de estresse, o material se lembrará e voltará ao estado original", diz Arratia. "Mas se você começar a cortar com mais força, ele começa a perder a memória. É exatamente aí que descobrimos que o material cede e começa a fluir, e esse estresse crítico está relacionado à perda de memória."

Embora o conceito de memória em materiais desordenados já fosse conhecido há algum tempo, a forte correlação observada em seus resultados entre distribuição de partículas, fluxo e memória surpreendeu os pesquisadores. No futuro, eles planejam desenvolver esse trabalho estudando outros tamanhos e tipos de partículas, pesquisas que podem ajudar a abordar o quão universal é esse conceito e como seus resultados se relacionam com a termodinâmica e o excesso de entropia de forma mais ampla.

Arratia acrescenta que, com uma gama tão ampla de sistemas que agem como materiais desordenados, desde encostas erodidas com risco de causar deslizamentos de terra até organismos vivos, como biofilmes, as possíveis implicações para campos além da termodinâmica são numerosas. "Espero que este trabalho se torne algo que possamos aplicar a sistemas diferentes e díspares de pele, deslizamentos de terra, biofilmes e muitas coisas que são desordenadas e também fluem", diz Arratia. + Explorar mais

Estudo descreve como forças externas conduzem o rearranjo de partículas individuais em sólidos desordenados