Átomos extragrandes permitem que os físicos da Penn resolvam o enigma de por que as coisas derretem

Os FÍSICOS estão mais perto de entender por que materiais, como gelo e metal, derretem quando aquecidos, graças a uma nova teoria desenvolvida por pesquisadores da Universidade da Pensilvânia.

O trabalho inovador, publicado na prestigiada revista Science, lança luz sobre um mistério fundamental que tem intrigado os cientistas durante séculos.

Compreender o derretimento à escala atómica é vital, pois está subjacente a uma série de fenómenos, desde as alterações climáticas até à funcionalidade de dispositivos eletrónicos como smartphones.

O ENIGMA DO DERRETIMENTO

Imagine colocar gelo numa sala quente e observá-lo transformar-se lentamente em água líquida – um fenómeno que consideramos natural na vida quotidiana.

No nível atômico, esse processo envolve o rearranjo da estrutura cristalina ordenada do gelo em um estado líquido mais desordenado. A energia térmica, fornecida pela sala quente, fornece o empurrão necessário para superar as forças que mantêm os átomos ou moléculas fixados em suas posições cristalinas, permitindo-lhes fluir livremente uns pelos outros.

Os cientistas há muito que procuram uma compreensão detalhada deste processo – uma descrição que explique as condições específicas necessárias para causar o derretimento. Por que, por exemplo, o gelo derrete a uma temperatura específica, enquanto metais como o cobre derretem a temperaturas muito mais altas?

A resposta reside na força das ligações interatómicas – as forças que mantêm os átomos ou moléculas unidos num sólido.

Nos sólidos, essas forças são fortes o suficiente para manter os átomos presos no lugar, formando estruturas cristalinas regulares. À medida que a temperatura aumenta, a energia adicionada faz com que os átomos vibrem com mais vigor, enfraquecendo gradualmente estas ligações.

Uma vez que a energia vibracional excede a força das ligações, a estrutura cristalina entra em colapso e o material derrete, passando do estado sólido para o líquido.

UMA NOVA TEORIA E ÁTOMOS EXTRA GRANDES

Embora esta compreensão geral da fusão já exista há algum tempo, os cientistas têm lutado para desenvolver uma teoria precisa que possa prever com precisão a temperatura de fusão de diferentes materiais.

O problema surge porque a força das ligações interatômicas depende não apenas do próprio material, mas também dos detalhes intrincados de como os átomos estão dispostos na rede cristalina – um problema complexo para resolver teoricamente.

A nova teoria, formulada por uma equipa liderada por Gregory G. Barba, Ph.D., professor assistente no Departamento de Física e Astronomia da Universidade da Pensilvânia, contorna esta complexidade ao introduzir uma nova abordagem.

“Nossa teoria é inspirada em uma classe incomum de materiais chamados colóides moles”, diz Barba. "Eles são como átomos superdimensionados, com diâmetros centenas de vezes maiores que os átomos comuns."

Nestes colóides moles, as forças que atuam entre as partículas comportam-se de maneira mais simples do que nos materiais convencionais, facilitando o estudo e a compreensão.

Ao analisar como essas partículas gigantes interagem e derretem, os pesquisadores obtiveram informações importantes que aplicaram para desenvolver uma teoria geral de fusão.

A teoria deles depende do conceito de “temperatura efetiva” – uma medida da intensidade com que os átomos vibram dentro da rede cristalina.

Quando a temperatura efetiva de um material excede um valor crítico, as ligações interatômicas não conseguem mais manter a estrutura cristalina unida, levando à fusão.

“Nossa teoria fornece uma descrição matemática precisa do processo de fusão”, diz Barba.

"Isso nos permite prever a temperatura de fusão de diferentes materiais considerando apenas algumas características-chave de suas interações atômicas, como a resistência e o alcance das forças entre eles."

DERRETER METAIS

Os pesquisadores testaram sua teoria analisando o comportamento de fusão de uma variedade de materiais, desde cristais simples até metais complexos. Eles encontraram excelente concordância entre suas previsões teóricas e medições experimentais.

“Nosso trabalho revela que o comportamento de fusão de diversos materiais pode ser entendido através de um princípio subjacente comum”, diz Barba.

"Ao desbloquear este princípio, ganhamos uma compreensão mais fundamental de por que os materiais derretem e, potencialmente, como manipular as suas propriedades."

IMPLICAÇÕES E DIREÇÕES FUTURAS

Os pesquisadores acreditam que seu trabalho pode abrir caminho para inúmeras aplicações, incluindo o projeto de novos materiais com propriedades de fusão personalizadas para necessidades tecnológicas específicas.
Por exemplo, as suas descobertas poderão ajudar no desenvolvimento de materiais com pontos de fusão mais elevados para utilização em ambientes extremos, como componentes aeroespaciais ou reatores nucleares.

Barba e seus colegas planejam refinar ainda mais sua teoria e estendê-la para estudar fenômenos de fusão mais complexos, incluindo o comportamento de misturas e os efeitos da pressão na fusão.

“Nosso trabalho abre novos caminhos de exploração no campo da ciência dos materiais”, diz Barba.

"Ao desvendar os mecanismos fundamentais por trás da fusão, estamos preparados para fazer avanços significativos no design e na engenharia de materiais."