Um intermediário raro e desconcertante entre cristal e vidro pode ser o arranjo mais estável para algumas combinações de átomos, de acordo com um estudo da Universidade de Michigan.

As descobertas vêm das primeiras simulações mecânicas quânticas de quasicristais — um tipo de sólido que os cientistas acreditavam que não existia. Embora os átomos nos quasicristais estejam dispostos em uma rede, como em um cristal, o padrão atômico não se repete como nos cristais convencionais. O novo método de simulação sugere que os quasicristais — assim como os cristais — são materiais fundamentalmente estáveis , apesar de sua semelhança com sólidos desordenados como o vidro, que se formam como consequência de aquecimento e resfriamento rápidos.

"Precisamos saber como organizar átomos em estruturas específicas se quisermos projetar materiais com as propriedades desejadas", disse Wenhao Sun, Professor Assistente de Ciência e Engenharia de Materiais em Início de Carreira da Dow e autor correspondente do artigo publicado hoje na Nature Physics . "Os quasicristais nos forçaram a repensar como e por que certos materiais podem se formar. Até o nosso estudo, não estava claro para os cientistas por que eles existiam."

Os quasicristais pareciam desafiar a física quando foram descritos pela primeira vez pelo cientista israelense Daniel Shechtman em 1984. Ao fazer experimentos com ligas de alumínio e manganês, Shechtman percebeu que alguns átomos desses metais estavam dispostos em uma estrutura icosaédrica, semelhante a muitos dados de 20 lados unidos pelas faces. Essa forma conferia ao material uma simetria quíntupla — idêntica sob cinco pontos de vista diferentes.

Os cientistas da época acreditavam que os átomos dentro dos cristais só poderiam ser organizados em sequências que se repetiam em cada direção, mas a simetria quíntupla impedia tais padrões. Shechtman inicialmente enfrentou intenso escrutínio por sugerir o impossível, mas outros laboratórios posteriormente produziram seus próprios quasicristais e os encontraram em meteoritos de bilhões de anos .

Shechtman acabou ganhando o Prêmio Nobel de Química em 2011 por sua descoberta, mas os cientistas ainda não conseguiam responder a perguntas fundamentais sobre a formação dos quasicristais. O obstáculo era que a teoria do funcional da densidade — o método da mecânica quântica para calcular a estabilidade de um cristal — se baseia em padrões que se repetem infinitamente em sequência, o que falta aos quasicristais.

"O primeiro passo para entender um material é saber o que o torna estável, mas tem sido difícil dizer como os quasicristais foram estabilizados", disse Woohyeon Baek, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais da UM e primeiro autor do estudo.

Os átomos de qualquer material geralmente se organizam em cristais para que as ligações químicas atinjam a menor energia possível. Os cientistas chamam essas estruturas de cristais estabilizados por entalpia. Mas outros materiais se formam porque têm alta entropia, o que significa que há muitas maneiras diferentes de seus átomos se organizarem ou vibrarem.

O vidro é um exemplo de sólido estabilizado por entropia. Ele se forma quando a sílica derretida esfria rapidamente, congelando os átomos em uma forma sem padrão. Mas se as taxas de resfriamento diminuírem ou uma base for adicionada à sílica aquecida, os átomos podem se organizar em cristais de quartzo — o estado de menor energia preferido à temperatura ambiente.

Quasicristais são um intermediário intrigante entre o vidro e o cristal. Possuem arranjos atômicos localmente ordenados, como os cristais, mas, assim como o vidro, não formam padrões repetitivos de longo alcance.

Para determinar se os quasicristais são estabilizados por entalpia ou entropia, o método do pesquisador extrai nanopartículas menores de um bloco simulado maior de quasicristais . Os pesquisadores então calculam a energia total em cada nanopartícula, o que não requer uma sequência infinita porque a partícula tem limites definidos.

Como a energia em uma nanopartícula está relacionada ao seu volume e área de superfície, a repetição dos cálculos para nanopartículas de tamanhos crescentes permite aos pesquisadores extrapolar a energia total dentro de um bloco maior de quasicristal. Com esse método, os pesquisadores descobriram que dois quasicristais bem estudados são estabilizados por entalpia. Um é uma liga de escândio e zinco, o outro, de itérbio e cádmio.

As estimativas mais precisas da energia do quasicristal requerem as maiores partículas possíveis, mas ampliar as nanopartículas é difícil com algoritmos padrão. Para nanopartículas com apenas centenas de átomos, dobrar os átomos aumenta o tempo de computação em oito vezes. Mas os pesquisadores também encontraram uma solução para o gargalo da computação.

"Em algoritmos convencionais, cada processador de computador precisa se comunicar com outro, mas nosso algoritmo é até 100 vezes mais rápido porque apenas os processadores vizinhos se comunicam, e usamos efetivamente a aceleração de GPU em supercomputadores", disse o coautor do estudo, Vikram Gavini, professor de engenharia mecânica e ciência e engenharia de materiais da UM.

"Agora podemos simular vidro e materiais amorfos, interfaces entre diferentes cristais, bem como defeitos de cristais que podem permitir bits de computação quântica."