Partículas magnéticas giratórias exibem comportamento semelhante ao das moléculas de um gás, mostrando que leis termodinâmicas fundamentais se aplicam a sistemas rotativos em microescala, de acordo com um estudo liderado pela Universidade de Purdue.

A spintrônica e outras tecnologias que aproveitam a física de minúsculos ímãs e suas interações já são usadas em cabeçotes de leitura em discos rígidos e, mais recentemente, em memória incorporada usada em smartphones para sua operação de baixo consumo de energia. Tal tecnologia poderá algum dia ser empregada em outras aplicações computacionais, especialmente à medida que a eficiência energética e a miniaturização se tornam cada vez mais importantes.

A termodinâmica é um ramo fundamental da física que rege muitos aspectos do comportamento dos materiais, desde o aquecimento de uma colher de metal em uma xícara de café quente até a forma como os gases se expandem e exercem pressão. Na microescala, onde a mecânica quântica reina suprema e a física tradicional fica aquém, os cientistas descobriram anteriormente efeitos relacionados ao spin que pareciam diferentes da termodinâmica regular, que estuda os estados de equilíbrio dos sistemas.

"Anteriormente, presumia-se que em estados de não-equilíbrio - onde a energia é constantemente bombeada ou extraída do sistema - a termodinâmica não pode ser aplicada", disse Joseph Heremans, autor sênior do artigo e professor eminente de engenharia mecânica Francis Hobart Vinton da Purdue. "O que descobrimos é que as nanopartículas magnéticas giratórias se comportam de acordo com as mesmas leis que as moléculas de um gás."

Esta descoberta abre caminho para pesquisas futuras sobre os princípios termodinâmicos da matéria em escala quântica, que continua sendo uma fronteira pouco explorada. As descobertas estão alinhadas com os esforços de Heremans e sua equipe para desenvolver uma estrutura teórica melhor que se aproxime mais do comportamento de materiais em nanoescala do mundo real.

A equipe de pesquisa usou uma abordagem computacional para modelar um sistema de nanopartículas magnéticas suspensas em um fluido. Quando submetidas a um campo magnético oscilante, que exerce torque, as nanopartículas começariam a girar. Quanto mais rápido giravam, mais quentes ficavam. Esta descoberta levou os investigadores a perceber que as partículas em rotação, agindo como se fossem átomos ou moléculas individuais, estavam na verdade a comportar-se como um gás obedecendo às leis da termodinâmica.

“O principal objetivo desta pesquisa foi tentar preencher a lacuna entre a física fundamental e as aplicações práticas de dispositivos”, disse Heremans. "Quando se trata de dispositivos práticos, nem sempre medimos as partículas individualmente:medimos o comportamento total de todo o material, e é por isso que usamos conceitos como temperatura, pressão e fluxo de calor."

O estudo foi publicado na Physical Review Letters em 24 de fevereiro.