Novo modelo estende a teoria da formação de padrões ao nanocosmos

O arranjo regular de estruturas nanoscópicas pode criar padrões físicos, como a coloração estrutural encontrada em borboletas e penas de pássaros. A nova teoria dos cientistas do MPI-DS pode ajudar a compreender tais estruturas e criar novos padrões. Crédito:Pixabay

Um novo modelo desenvolvido por cientistas do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-Organização (MPI-DS) estende a teoria da separação de fases elásticas para estruturas nanoscópicas. Tais padrões são frequentes em sistemas biológicos e também usados em nanoengenharia para criar cores estruturais. Com seus novos insights, os cientistas podem prever a escala de comprimento dos padrões nanoscópicos e, assim, controlá-los durante a produção. O modelo foi publicado na revista Physical Review X .

Padrões estruturais bem definidos são encontrados em todos os lugares dos sistemas biológicos. Um exemplo bem conhecido é a coloração de penas de pássaros e asas de borboletas, que depende do arranjo regular de estruturas nanoscópicas, conhecidas como cor estrutural. Esses padrões geralmente se formam por separação de fases.

Diferentes componentes se separam uns dos outros, da mesma forma que o óleo se separa da água. No entanto, ainda não está claro como a natureza cria padrões bem definidos que levam a tais cores. Geralmente, a fabricação de materiais sintéticos nesta escala de comprimento submícron é um desafio comum.

Uma forma de controlar estruturas feitas por separação de fases depende da elasticidade:as deformações dos materiais são bem descritas pela teoria da elasticidade em escalas macroscópicas, por exemplo, para explicar como um pedaço de borracha se deforma sob o efeito da força. Porém, em escala nanoscópica, os materiais não são mais homogêneos e a descrição macroscópica do material é insuficiente.

Em vez disso, o arranjo real das moléculas é importante. Além disso, deformar qualquer material requer energia, o que impede grandes deformações. Gotículas individuais formadas por separação de fases não podem, portanto, crescer indefinidamente. Dependendo da sua disposição, pode surgir um padrão regular.

Cientistas liderados por David Zwicker, chefe do Grupo de Pesquisa Max Planck "Teoria dos Fluidos Biológicos" do MPI-DS, desenvolveram agora um modelo para abordar este aspecto. Eles propuseram uma teoria baseada na elasticidade não local para prever a formação de padrões por separação de fases.

“Com o nosso novo modelo, podemos agora levar em conta o aspecto adicional relevante para descrever o sistema”, diz Zwicker. “Modelar todos os componentes moleculares em detalhes atômicos excederia o poder computacional. Em vez disso, estendemos a teoria existente para estruturas menores comparáveis ao tamanho da malha”, explica ele.

A nova teoria prevê como as propriedades dos materiais afetam o padrão formado. Pode assim ajudar os engenheiros a criar estruturas nanoscópicas específicas, seguindo princípios físicos de auto-organização que a natureza explora.

Mais informações: Yicheng Qiang et al, Elasticidade não local produz padrões de equilíbrio em sistemas de separação de fases, Revisão Física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021009
Informações do diário: Revisão Física X

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