Pode parecer inacreditável, mas os cristais feitos de partículas giratórias são reais. Uma equipe de físicos de Aachen, Düsseldorf, Mainz e Wayne State University (Detroit, EUA) explorou esses materiais incomuns e seu comportamento extraordinário. Esses cristais quebram-se facilmente em fragmentos individuais, formam contornos de grãos incomuns e apresentam defeitos estruturais controláveis. Publicado em ” Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS)Os pesquisadores propõem uma ampla estrutura teórica que prevê várias novas propriedades desses sistemas chamados de “interação lateral”.
Sistemas de rotação na natureza e tecnologia
As “forças transversais” podem ocorrer não apenas em materiais de engenharia, como certos sólidos magnéticos, mas também em sistemas biológicos. Numa experiência no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), os investigadores observaram que grupos de embriões de estrelas do mar afectavam os movimentos uns dos outros através dos seus movimentos de natação, fazendo-os rodar uns em torno dos outros. A função biológica deste movimento coordenado não é clara, mas partilha as mesmas características básicas encontradas nestes sistemas sintéticos: objetos em rotação e em interação.
O professor Dr. Hartmut Löwen, do Instituto de Física Teórica II da Universidade Heinrich Heine (HHU) em Düsseldorf, explica: “Sistemas que consistem em muitos elementos constituintes rotativos exibem um comportamento qualitativamente novo que não é intuitivo: em altas concentrações, esses objetos formam um rotor sólido com propriedades de material ‘estranhas’.”
Uma dessas propriedades é chamada de “elasticidade ímpar”. Normalmente, quando um material é puxado, ele se estica na direção da força. Em contraste, um estranho material elástico não estica, mas torce.
torcer, quebrar e reestruturar
Este sólido “estranho” pode até se desintegrar sozinho. Quando os blocos de construção rotativos se esfregam com força suficiente, o sólido se quebra em muitos cristalitos giratórios menores. Ainda mais surpreendente é que os fragmentos podem mais tarde ser remontados novamente em uma estrutura coerente.
Uma equipe de pesquisa liderada pelos professores Zhifeng Huang e Löwen da Wayne State University desenvolveu um modelo teórico multiescala para descrever o comportamento desses estranhos cristais. Usando este modelo, eles realizaram simulações que revelaram padrões inesperados e possíveis usos tecnológicos para esses materiais rotativos.
Invertendo as regras do crescimento do cristal
A equipe descobriu que grandes cristais controlados por interações laterais tendem a se quebrar em unidades rotativas menores, e os cristais menores crescem até atingirem um tamanho crítico específico. Este resultado contrasta com o crescimento de cristal convencional, no qual o material geralmente se expande de forma estável sob condições favoráveis.
“Descobrimos uma propriedade fundamental da natureza por trás deste processo, que determina a relação entre o tamanho do fragmento crítico e sua velocidade de rotação”, explicou o professor Huang.
O co-autor do estudo, Professor Raphael Wittkowski, do DWI (Leibniz Institute for Interactive Materials) e da RWTH Aachen University, acrescenta:”Demonstramos ainda como os defeitos nos cristais exibem sua própria dinâmica. A formação de tais defeitos pode ser influenciada por influências externas, o que permite que as propriedades do cristal sejam controladas especificamente dependendo da aplicação. “
“Nossa teoria de longo alcance cobre todos os sistemas nos quais essa interação lateral é demonstrada. As aplicações concebíveis variam de estudos de colóides à biologia, “diz o coautor Dr. Michael te Vrugt, professor assistente da Universidade de Mainz.
O professor Löwen acrescenta: “Os cálculos do modelo indicam um potencial de aplicação concreto. Por exemplo, as novas propriedades elásticas desses novos cristais podem ser exploradas para inventar novos elementos de comutação de tecnologia.”
Força central e força lateral
Na física, interações como a gravidade e a força de Coulomb são conhecidas como poder central Porque funcionam ao longo da linha que liga os centros de dois objetos. Essas forças fazem com que os objetos se aproximem ou se afastem uns dos outros.
Em contraste, interações laterais É um tipo de força recentemente descoberto que atua perpendicularmente ao eixo central. Este arranjo incomum faz com que os objetos comecem a girar espontaneamente em torno uns dos outros – uma dinâmica no cerne desses cristais giratórios recém-descobertos.
