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Os cientistas desenvolvem uma nova abordagem para prever como os líquidos congelam
O processo de congelamento, onde um líquido se transforma em sólido, não é tão simples quanto pode parecer. Muitas substâncias, incluindo água e cera, têm vários estados sólidos como resultado de diferenças na disposição de seus átomos
Por Queen Mary, Universidade de Londres - 18/03/2021


Pixabay

Pesquisadores da Queen Mary University of London desenvolveram uma nova abordagem computacional para entender melhor o congelamento em diferentes tipos de líquidos.

O processo de congelamento, onde um líquido se transforma em sólido, não é tão simples quanto pode parecer. Muitas substâncias, incluindo água e cera, têm vários estados sólidos como resultado de diferenças na disposição de seus átomos e moléculas. No entanto, realizar experimentos para visualizar os arranjos moleculares exatos e como eles se transformam entre os estados pode ser difícil.

Nas últimas décadas, modelos computacionais têm sido cada vez mais usados ​​para complementar estudos experimentais, trazendo novos insights moleculares sobre as propriedades dos estados de gás e líquido, bem como as transições entre eles (por exemplo, evaporação).

No entanto, fases mais densas ainda são um desafio, e a complexidade do congelamento de líquidos em sólidos iludiu a maioria dos métodos, especialmente onde há mais de um arranjo sólido possível.

No estudo, publicado no Journal of Physical Chemistry B , os cientistas desenvolveram novas abordagens computacionais para estudar a cera, que é conhecida por ter vários arranjos congelados. Usando seu método, eles foram capazes de prever seu ponto de fusão dentro de 2 ° C do valor experimental.

Comparando o desempenho

Quando eles compararam o desempenho desses métodos com a maioria das técnicas computacionais existentes, eles mostraram que sua abordagem de modelagem fornece uma visão mais realista do que acontece quando os líquidos congelam e podem até mesmo prever algumas das estruturas cristalinas mais 'exóticas' formadas durante esse processo.

O Dr. Stephen Burrows, assistente de pesquisa de pós-doutorado no Queen Mary, disse: "Alcanos sólidos são incomuns porque as moléculas têm uma quantidade surpreendente de liberdade. Se você começar a partir de um cristal perfeito e aumentar a temperatura, as moléculas de repente ganham a capacidade de girar, com um movimento semelhante ao de uma pessoa que dorme inquieta, revirando-se na cama. "

"Testamos os métodos mais amplamente usados ​​para simular essas fases de 'rotador', descobrindo que o modelo de Williams da década de 1960 estava à frente de seu tempo. Inicialmente impraticável devido à falta de poder computacional, ele agora pode passar por um renascimento para o modelo molecular moderno simulação dinâmica. Com o nosso modelo recentemente otimizado, pretendemos estudar a fase de rotação do hexadecano, encontrado no óleo, que é difícil de observar experimentalmente devido à sua natureza instável. "

Aplicativos do mundo real

Assim como as ceras, os óleos como o óleo diesel também podem congelar em vários estágios e exibir diferentes propriedades sólidas. Portanto, os métodos para prever as complexidades moleculares e atômicas das transições líquidas para diferentes tipos de óleos "sólidos" podem ter várias aplicações potenciais no mundo real, desde ajudar a prever melhor o congelamento de oleodutos (e prevenir derramamentos de óleo) até desenvolver um melhor isolamento inteligente e armazenamento de energia.

Compreender as transições sólidas na cera também pode levar a polímeros mais leves e mais fortes do que o aço e ajudar os pesquisadores a melhorar a compreensão dos processos recém-descobertos, como a morfogênese artificial. Isso poderia permitir processos de manufatura mais ecológicos para que pudéssemos 'fazer crescer' a matéria como vista na natureza, reduzindo produtos secundários ou resíduos.

O Dr. Stoyan Smoukov, leitor de Engenharia Química do Queen Mary, disse: "Ser capaz de prever o comportamento de transformação dos óleos nos ajudaria em nossa busca para desenvolver processos de manufatura sustentáveis ​​para o futuro. A microfabricação litográfica usual é como esculpir, cortar / cinzelar longe de uma placa de mármore, gerando muitos resíduos. Em nossa concessão atual, estamos usando novos processos para a autoformação de gotículas e usamos quase 100% do material de partida para literalmente fazer crescer partículas em forma. "

"O processo é altamente escalonável, pois cada gota se forma devido às transições de fase internas. A produção eficiente dessas partículas pode revolucionar as indústrias, desde a impressão a jato de tinta até a entrega de medicamentos. E as ferramentas de modelagem que desenvolvemos nos ajudarão a ajustar esse controle na escala molecular . "

 

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