Físicos em Darmstadt estão investigando processos de envelhecimento em materiais. Pela primeira vez, mediram o tique-taque de um relógio interno em vidro. Ao avaliar os dados, descobriram um fenômeno surpreendente.



Experimentamos o tempo como tendo apenas uma direção. Quem já viu uma xícara quebrar no chão e depois se remontar espontaneamente? Para os físicos, isto não é imediatamente evidente porque as fórmulas que descrevem os movimentos se aplicam independentemente da direção do tempo.

Um vídeo de um pêndulo balançando desimpedido, por exemplo, teria a mesma aparência se corresse para trás. A irreversibilidade cotidiana que experimentamos só entra em ação através de outra lei da natureza, a segunda lei da termodinâmica. Isto afirma que a desordem em um sistema cresce constantemente. Se a xícara quebrada se recompusesse, entretanto, a desordem diminuiria.

Você pode pensar que o envelhecimento dos materiais é tão irreversível quanto a quebra de um vidro. No entanto, ao investigarem os movimentos das moléculas no vidro ou no plástico, os físicos de Darmstadt descobriram agora que estes movimentos são reversíveis no tempo se forem vistos de uma determinada perspectiva.

A equipe liderada por Till Böhmer, do Instituto de Física da Matéria Condensada da Universidade Técnica de Darmstadt, publicou seus resultados na revista Nature Physics. .

Vidros ou plásticos consistem em um emaranhado de moléculas. As partículas estão em constante movimento, fazendo com que elas deslizem continuamente para novas posições. Eles buscam permanentemente um estado energético mais favorável, que altera as propriedades do material ao longo do tempo – o vidro envelhece.

Em materiais úteis como vidros de janelas, entretanto, isso pode levar bilhões de anos. O processo de envelhecimento pode ser descrito pelo que é conhecido como “tempo material”. Imagine assim:o material possui um relógio interno que funciona de forma diferente do relógio da parede do laboratório. O tempo do material passa a uma velocidade diferente dependendo da rapidez com que as moléculas dentro do material se reorganizam.

Desde que o conceito foi descoberto, há cerca de 50 anos, ninguém conseguiu medir o tempo material. Agora, os pesquisadores em Darmstadt liderados pelo Prof. Thomas Blochowicz fizeram isso pela primeira vez.

“Foi um enorme desafio experimental”, diz Böhmer. As minúsculas flutuações nas moléculas tiveram que ser documentadas usando uma câmera de vídeo ultrassensível. “Você não pode simplesmente observar as moléculas balançando”, acrescenta Blochowicz.

No entanto, os pesquisadores notaram algo. Eles direcionaram um laser para a amostra de vidro. As moléculas dentro dele dispersam a luz. Os feixes dispersos se sobrepõem e formam um padrão caótico de pontos claros e escuros no sensor da câmera. Métodos estatísticos podem ser usados ​​para calcular como as flutuações variam ao longo do tempo – em outras palavras, a rapidez com que o relógio interno do material funciona. “Isso requer medições extremamente precisas que só foram possíveis com câmeras de vídeo de última geração”, diz Blochowicz.

Mas valeu a pena. A análise estatística das flutuações moleculares, na qual ajudaram investigadores da Universidade de Roskilde, na Dinamarca, revelou alguns resultados surpreendentes. Em termos de tempo material, as flutuações das moléculas são reversíveis no tempo. Isso significa que eles não mudam se o tempo material puder retroceder, semelhante ao vídeo do pêndulo, que parece o mesmo quando reproduzido para frente e para trás.

“No entanto, isso não significa que o envelhecimento dos materiais possa ser revertido”, enfatiza Böhmer. Pelo contrário, o resultado confirma que o conceito de tempo material foi bem escolhido porque expressa toda a parte irreversível do envelhecimento do material. Seu tique-taque incorpora a passagem do tempo para o material em questão.

Tudo o mais que se move no material em relação a esta escala de tempo não contribui para o envelhecimento. Assim como, metaforicamente falando, as crianças que brincam no banco traseiro de um carro não contribuem para o seu movimento.

Os investigadores de Darmstadt acreditam que isto geralmente se aplica a materiais desordenados, uma vez que examinaram duas classes de materiais – vidro e plástico – e realizaram uma simulação computacional de um material modelo – com os mesmos resultados.

O sucesso dos físicos é apenas o começo. “Isso nos deixa com uma montanha de perguntas sem resposta”, diz Blochowicz. Por exemplo, resta esclarecer até que ponto a reversibilidade observada em termos de tempo material se deve à reversibilidade das leis físicas da natureza, ou como o tique-taque do relógio interno difere para diferentes materiais.

Os pesquisadores estão ansiosos para investigar mais, para que descobertas mais emocionantes possam estar por vir.

Mais informações: Böhmer, T. et al, Reversibilidade do tempo durante o envelhecimento de materiais. Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02366-z
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido por Technische Universitat Darmstadt