Crédito:YAYImages/depositphotos.com Vidros e géis são dois tipos diferentes de materiais sólidos comumente usados em uma ampla variedade de ambientes. Apesar das suas composições marcadamente diferentes, estes materiais distintos partilham algumas propriedades semelhantes, por exemplo, apresentam rigidez sem ordem de translação e uma transformação lenta ao longo do tempo.
Pesquisadores da Universidade de Tóquio decidiram recentemente compreender melhor as diferenças entre vidros e géis, concentrando-se especificamente em suas propriedades elásticas. O artigo deles, publicado na Nature Physics , esclarece a origem e evolução da elasticidade nessas duas classes de sólidos amorfos.
“Nossa pesquisa começou observando as mudanças mecânicas únicas em géis coloidais durante o envelhecimento”, disse Hajime Tanaka, autor sênior do artigo, ao Phys.org. "Embora os vidros e os géis tenham características semelhantes aos sólidos amorfos - como rigidez sem ordem e dinâmica lenta durante o envelhecimento - descobrimos algo inesperado.
"Ao estudar como o módulo de elasticidade dos géis coloidais muda com o tempo, descobrimos uma tendência surpreendente:em vez de ficarem mais rígidos com o tempo como os vidros, os géis realmente amolecem após um longo período de envelhecimento - cerca de dois meses para partículas coloidais de 2 μm."
Em suas pesquisas anteriores, Tanaka e seus colaboradores reuniram descobertas que desafiaram as noções existentes de como os sólidos amorfos evoluem ao longo do tempo. Especificamente, os seus estudos descobriram que a dinâmica do envelhecimento nestes tipos de sólidos nem sempre conduz a um aumento na rigidez.
“Essa descoberta inesperada nos deixou curiosos sobre as diferenças entre vidros e géis e o que os causa”, explicou Tanaka. "Nosso estudo teve como objetivo descobrir as propriedades elásticas únicas de vidros e géis e compreender as razões por trás deles. Também queríamos aprender como a relação entre estrutura e dinâmica afeta as propriedades mecânicas de sólidos amorfos."
Para estudar as propriedades elásticas de vidros e géis coloidais, os pesquisadores realizaram simulações tridimensionais (3D) da dinâmica de Langevin. Essas simulações permitiram modelar tanto vidros coloidais caracterizados por partículas repulsivas quanto géis coloidais com partículas atrativas.
Estrutura típica de vidros coloidais (a) e géis coloidais (b). O módulo de cisalhamento dependente do tempo de espera em temperatura finita (círculos vermelhos) e temperatura zero (quadrados azuis) em vidros (b) e géis (d). Crédito:Dr. Yinqiao Wang, Universidade de Tóquio.
“Estudamos o processo de envelhecimento de ambos os sistemas, fazendo uma rápida transição deles de estados de equilíbrio para estados fora de equilíbrio”, disse Yinqiao Wang, primeiro autor do artigo. "Para imitar as condições experimentais, primeiro permitimos que as partículas em ambos os sistemas se equilibrassem no estado líquido. Em seguida, aumentamos rapidamente a fração de empacotamento além do limiar de transição vítrea para formar vidros coloidais. Por outro lado, para géis coloidais, baixamos rapidamente a temperatura bem abaixo a temperatura de mistura gás-líquido."
Ao observarem o processo de envelhecimento dos dois sistemas modelados, os pesquisadores monitoraram cuidadosamente a evolução de sua elasticidade, ao mesmo tempo em que levaram em consideração as flutuações térmicas. Isso foi feito usando deformações oscilatórias de pequena amplitude ou resolvendo diretamente a matriz Hessiana.
“Ao mesmo tempo, analisamos mudanças na dinâmica e estrutura vibracional, incluindo parâmetros de ordem de orientação e anisotropia de Voronoi em vidros, bem como conectividades em escalas de partículas e redes em géis”, explicou Tanaka. "Nossos resultados destacam a intrincada interação entre estrutura, dinâmica (flutuações térmicas) e propriedades elásticas em sistemas desordenados sem equilíbrio, com foco em dois sólidos amorfos típicos:vidros e géis coloidais,"
Tanaka e seus colegas descobriram que, embora os vidros e os géis compartilhem algumas propriedades semelhantes às dos sólidos amorfos fora do equilíbrio, suas propriedades elásticas são marcadamente diferentes. O artigo deles também elucida alguns dos mecanismos únicos subjacentes aos respectivos comportamentos desses dois tipos de sistemas.
"Nosso trabalho não apenas fornece informações valiosas sobre a física fundamental do desequilíbrio, mas também tem implicações significativas para a ciência dos materiais", disse Tanaka. "Ele oferece uma base física para distinguir entre vidros e géis, particularmente em cenários desafiadores, como estados não ergódicos de suspensões de Laponite."
O trabalho recente desta equipa de investigação contribui para a compreensão dos processos físicos subjacentes à elasticidade em vidros e géis coloidais. A nova visão que ele fornece poderá em breve informar o projeto e a fabricação de sólidos amorfos com propriedades elásticas desejadas.
“Em nossas pesquisas futuras, investigaremos extensivamente as propriedades mecânicas de sólidos amorfos, incluindo materiais granulares, vidros repulsivos/atraentes e géis”, acrescentou Tanaka. "Nosso objetivo é aprofundar nossa compreensão desses sistemas complexos e desordenados por meio da exploração sistemática, com o objetivo de desvendar seus mecanismos subjacentes e implicações em vários sistemas materiais."
