(Phys.org) - Os pesquisadores que tentam reunir partículas minúsculas em formações ordenadas úteis encontraram um aliado improvável:entropia, uma tendência geralmente descrita como "desordem".

Simulações de computador feitas por cientistas e engenheiros da Universidade de Michigan mostram que a propriedade pode empurrar as partículas para formar estruturas organizadas. Ao analisar as formas das partículas de antemão, eles podem até mesmo prever que tipos de estruturas se formarão.

As evidências, publicado na edição desta semana de Ciência , ajudam a estabelecer as regras básicas para fazer materiais de design com recursos incríveis, como peles que mudam de forma para camuflar um veículo ou otimizar sua aerodinâmica.

O físico e professor de engenharia química Sharon Glotzer propõe que tais materiais podem ser projetados trabalhando para trás a partir das propriedades desejadas para gerar um projeto. Esse projeto pode então ser realizado com nanopartículas - partículas mil vezes menores que a largura de um cabelo humano que podem se combinar de maneiras que seriam impossíveis apenas pela química comum.

Um dos maiores desafios é persuadir as nanopartículas a criar as estruturas pretendidas, mas estudos recentes do grupo de Glotzer e outros mostraram que algumas formas simples de partículas o fazem espontaneamente, à medida que as partículas se aglomeram. A equipe se perguntou se outras formas de partículas poderiam fazer o mesmo.

"Estudamos 145 formas diferentes, e isso nos deu mais dados do que qualquer um já teve sobre esses tipos de formadores de cristal em potencial, "Disse Glotzer." Com tantas informações, poderíamos começar a ver quantas estruturas são possíveis apenas com a forma de partícula, e procure tendências. "

Usando código de computador escrito pelo pesquisador de engenharia química Michael Engel, o aluno de graduação em física aplicada Pablo Damasceno realizou milhares de experimentos virtuais, explorando como cada forma se comportou sob diferentes níveis de aglomeração. O programa pode lidar com qualquer forma poliédrica, como dados com qualquer número de lados.

Deixados por conta própria, partículas à deriva encontram os arranjos com a entropia mais alta. Esse arranjo corresponde à ideia de que a entropia é uma desordem se as partículas têm espaço suficiente:elas se dispersam, apontado em direções aleatórias. Mas muito lotado, as partículas começaram a formar estruturas cristalinas como os átomos - embora não pudessem fazer ligações. Esses cristais ordenados tinham que ser os arranjos de alta entropia, também.

Glotzer explica que isso não é realmente uma desordem criando ordem - a entropia precisa de sua imagem atualizada. Em vez de, ela o descreve como uma medida de possibilidades. Se você pudesse desligar a gravidade e esvaziar um saco cheio de dados em uma jarra, os dados flutuantes apontariam para todas as direções. Contudo, se você continuar adicionando dados, eventualmente, o espaço se torna tão limitado que os dados têm mais opções para alinhar face a face. A mesma coisa acontece com as nanopartículas, que são tão pequenos que sentem a influência da entropia mais fortemente do que a da gravidade.

"É tudo uma questão de opções. Neste caso, arranjos ordenados produzem o maior número de possibilidades, a maioria das opções. É contra-intuitivo, para ter certeza, "Disse Glotzer.

Os resultados da simulação mostraram que quase 70 por cento das formas testadas produziram estruturas semelhantes a cristais apenas sob entropia. Mas o mais chocante foi como algumas dessas estruturas eram complicadas, com até 52 partículas envolvidas no padrão que se repetia em todo o cristal.

"Essa é uma estrutura cristalina extraordinariamente complexa, mesmo para a formação de átomos, muito menos partículas que não podem se ligar quimicamente, "Disse Glotzer.

As formas das partículas produziram três tipos de cristal:cristais regulares como o sal, cristais líquidos como os encontrados em algumas TVs de tela plana e cristais plásticos nos quais as partículas podem girar no lugar. Ao analisar a forma da partícula e como grupos delas se comportam antes de cristalizar, Damasceno disse que é possível prever que tipo de cristal as partículas formariam.

"A geometria das próprias partículas contém o segredo de seu comportamento de montagem, " ele disse.

Por que os outros 30 por cento nunca formaram estruturas de cristal, permanecendo como vidros desordenados, é um mistério.

"Eles ainda podem querer formar cristais, mas ficaram presos. O que é legal é que, para qualquer partícula que ficar presa, nós tínhamos outro, formas terrivelmente semelhantes formando cristais, "Disse Glotzer.

Além de descobrir mais sobre como converter nanopartículas em estruturas, sua equipe também tentará descobrir por que algumas formas resistem à ordem.