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Domingo, Maio 22, 2022

Nova teoria da entropia pode resolver problemas de design de materiais

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Um desafio no design de materiais é que, tanto em materiais naturais quanto em materiais feitos pelo homem, o volume às vezes diminui ou aumenta com o aumento da temperatura. Embora existam explicações mecânicas para esse fenômeno para alguns materiais específicos, ainda falta uma compreensão geral de por que isso às vezes acontece.

No entanto, uma equipe de pesquisadores da Penn State apresentou uma teoria para explicar e depois prever: Zentropy.

Zentropia é um jogo de entropia, um conceito central para a segunda lei da termodinâmica que expressa a medida da desordem de um sistema que ocorre durante um período de tempo em que não há energia aplicada para manter a ordem no sistema. Pense em uma sala de jogos em uma pré-escola; se nenhuma energia é colocada em mantê-lo arrumado, ele rapidamente se torna desordenado com brinquedos por todo o chão, um estado de alta entropia. Se a energia é colocada através da limpeza e organização da sala quando as crianças saem, a sala retorna a um estado de ordem e baixa entropia.

A teoria Zentropia observa que a relação termodinâmica da expansão térmica, quando o volume aumenta devido à temperatura mais alta, é igual à derivada negativa da entropia em relação à pressão, ou seja, a entropia da maioria dos sistemas materiais diminui com o aumento da pressão. Isso permite que a teoria Zentropy seja capaz de prever a mudança de volume em função da temperatura em um nível multiescala, ou seja, as diferentes escalas dentro de um sistema. Cada estado da matéria tem sua própria entropia, e diferentes partes de um sistema têm sua própria entropia.

“Quando falamos sobre a entropia de configuração (diferentes maneiras pelas quais as partículas se reorganizam dentro de um sistema), essa entropia é apenas parte da entropia do sistema”, disse Zi-Kui Liu, Dorothy Pate Enright Professora de Ciência e Engenharia de Materiais e investigadora principal do estude. “Então, você tem que adicionar a entropia dos componentes individuais desse sistema na equação, e então você considera as diferentes escalas, o universo, a Terra, as pessoas, os materiais, são escalas diferentes dentro de sistemas diferentes.”

Os autores do estudo, publicado na revista Journal of Phase Equilibria and Diffusion, acreditam que Zentropy pode ser capaz de prever anomalias de outras propriedades físicas de fases além do volume. Isso ocorre porque as respostas de um sistema a estímulos externos são impulsionadas pela entropia.

As funcionalidades macroscópicas dos materiais derivam de conjuntos de estados microscópicos (microestados) em todas as escalas na escala e abaixo da escala do estado macroscópico de investigação. Essas funcionalidades são difíceis de prever porque apenas um ou alguns microestados podem ser considerados em uma abordagem computacional típica, como os cálculos preditivos “desde o início”, que ajudam a determinar as propriedades fundamentais dos materiais.

“Esse desafio se torna agudo em materiais com múltiplas transições de fase, que são processos que convertem a matéria de um estado para outro, como a vaporização de um líquido”, disse Liu. “Muitas vezes, é aqui que existem as funcionalidades mais transformadoras, como supercondutividade e resposta eletromecânica gigante”.

A teoria da zentropia “empilha” essas diferentes escalas em uma teoria da entropia que engloba os diferentes elementos de um sistema inteiro, apresentando uma fórmula aninhada para a entropia de sistemas multiescala complexos, de acordo com Liu.

“Você tem essas escalas diferentes e pode empilhá-las com a teoria Zentropy”, disse Liu. “Por exemplo, átomos como uma propriedade vibracional, que é de baixa escala, então você tem interação eletrônica, nessa escala ainda mais baixa. Então, agora, como você os empilha para cobrir todo o sistema? Ele cria uma função de partição que é a soma de todas as escalas de entropia.”

Essa abordagem tem sido algo em que o laboratório de Liu trabalhou por mais de 10 anos e cinco estudos diferentes publicados.

“A ideia realmente se tornou muito simples depois que a estudamos e a entendemos”, disse Liu.

O Zentropy tem potencial para mudar a forma como os materiais são projetados, especialmente aqueles que fazem parte de sistemas expostos a temperaturas mais altas. Essas temperaturas, devido à expansão térmica, podem causar problemas se os materiais se expandirem.

“Isso tem o potencial de permitir a compreensão fundamental e o projeto de materiais com propriedades emergentes, como novos supercondutores e novos materiais ferroelétricos que podem levar a novas classes de eletrônicos”, disse Liu. “Além disso, outras aplicações, como projetar materiais estruturais melhores que suportam temperaturas mais altas, também são possíveis.”

Embora haja benefícios para a sociedade em geral, os pesquisadores podem aplicar o Zentropy a vários campos. Isso se deve à forma como a entropia está presente em todos os sistemas.

“A teoria Zentropy tem o potencial de ser aplicada a sistemas maiores porque a entropia impulsiona mudanças em todos os sistemas, sejam eles buracos negros, planetas, sociedades ou florestas”, disse Liu.

Junto com Liu, outros autores do estudo incluem Yi Wang, professor pesquisador em ciência e engenharia de materiais, e Shun-Li Zhang, professor pesquisador em ciência e engenharia de materiais. O trabalho foi apoiado pela National Science Foundation, o Departamento de Energia e o Departamento de Defesa.



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