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O que interrompe o fluxo em materiais vítreos?
Esta questão é tão importante que foi selecionada pela revista Science em 2005 como uma das 125 questões científicas principais sem resposta e uma das 11 questões físicas importantes não resolvidas.
Por Zhang Nannan - 18/01/2021


Correlações espaciais entre regiões de dinâmica lenta (elipses vermelhas) e de baixa entropia estrutural (azul claro) no movimento translacional e rotacional de elipsóides coloidais com diferentes relações de aspecto. Barra de escala: 20 μm. Crédito: WANG Yuren

Os vidros têm uma estrutura desordenada de tipo líquido, mas propriedades mecânicas de tipo sólido. Isso leva a um dos mistérios centrais dos vidros: por que eles não fluem como líquidos? Esta questão é tão importante que foi selecionada pela revista Science em 2005 como uma das 125 questões científicas principais sem resposta e uma das 11 questões físicas importantes não resolvidas.

Dificilmente podemos observar os movimentos dos átomos em uma escala de comprimento de ~ 0,1 nanômetro e em uma escala de tempo de ~ 1 nanossegundo. Felizmente, no entanto, os cientistas descobriram que os sistemas coloidais têm comportamentos de fase semelhantes aos sistemas atômicos. Os colóides são considerados grandes "átomos" que revelam informações microscópicas sobre as transições de fase que não podem ser facilmente obtidas a partir de materiais atômicos.

Na última década, os vidros coloidais atraíram muito interesse, resultando em inúmeras descobertas importantes. No entanto, a maioria desses estudos é sobre partículas esféricas que tendem a formar estruturas cristalinas locais ou de alcance intermediário. Infelizmente, esses estudos não são amplamente aplicáveis, uma vez que a maioria dos vidros não é composta por esferas e não tem estrutura cristalina .

Para combater esse problema, pesquisadores do Instituto de Mecânica da Academia Chinesa de Ciências e da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong conduziram recentemente pela primeira vez estudos experimentais em sistemas vítreos compostos de partículas não esféricas.

"A observação de comportamentos críticos em vidros elipsóides fornece evidências quantitativas muito mais sólidas da natureza termodinâmica da transição vítrea", disse Wang Yuren, autor correspondente do estudo. "Os resultados lançam uma nova luz sobre os mistérios da teoria do vidro e o design de materiais com alta estabilidade e capacidade de formação de vidro ."


Os pesquisadores descobriram que as monocamadas de elipsóides monodispersos são bons formadores de vidro e não formam estruturas cristalinas locais. Assim, eles fornecem um sistema ideal e geral para detectar a origem estrutural da dinâmica de desaceleração conforme a transição vítrea é abordada.

Na verdade, os formadores de vidro têm fortes heterogeneidades dinâmicas, ou seja, algumas regiões se movem rapidamente e outras lentamente. Esses resultados mostram que estruturas com baixa entropia estrutural correspondem bem com dinâmica lenta, enquanto regiões de rápido relaxamento (fluxo) apresentam alta entropia estrutural.

Em vidros compostos por partículas esféricas, algumas estruturas poliédricas costumam ser consideradas responsáveis ​​pela dinâmica lenta. No entanto, um tipo de poliedro só existe em certos sistemas de esferas. A entropia estrutural mede o nível de desordem em uma estrutura , incluindo várias estruturas locais específicas, por exemplo, poliedros virosos que existem em sistemas compostos de esferas. Assim, a baixa entropia estrutural é uma característica estrutural geral da dinâmica lenta na matéria vítrea, que se mantém em sistemas compostos por esferas e não esferas.

Além disso, os pesquisadores observaram comportamentos críticos do tipo Ising em um ponto de transição vítreo ideal em estruturas estáticas e dinâmicas lentas. Tais comportamentos são uma característica quantitativa da transição termodinâmica que explica se a transição vítrea é puramente dinâmica ou termodinâmica (estrutural), uma vez que não há estruturas de ordenação nos vidros.

"A observação de comportamentos críticos em vidros elipsóides fornece evidências quantitativas muito mais sólidas da natureza termodinâmica da transição vítrea", disse Wang Yuren, autor correspondente do estudo. "Os resultados lançam uma nova luz sobre os mistérios da teoria do vidro e o design de materiais com alta estabilidade e capacidade de formação de vidro ."

 

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