Vidro ideal é criado pela primeira vez… matematicamente

Vidro ideal

Há séculos os cientistas discutem como e por que o vidro se forma a partir de um estado fundido, transformando-se em um material rígido e sólido, mas mantendo ao mesmo tempo uma estrutura interna amorfa ou desordenada, semelhante à de um líquido.

Viola Lum e colegas da Universidade do Oregon, nos EUA, resolveram abordar essa questão de uma maneira inusitada: Eles criaram um “vidro digital”, ou um gêmeo digital de um vidro. É uma versão simulada em computador de um “vidro ideal”, um material no qual as moléculas ficam compactadas da forma mais densa e mais estável possível, mas sem perder seu caráter amorfo, ou não-cristalino.

Entender como produzir esse vidro ideal pode abrir caminho para novos tipos de materiais com propriedades únicas, como vidros capazes de suportar altas temperaturas e pressões. Como as propriedades dos materiais determinam a forma como os produtos podem ser fabricados, isso, por sua vez, pode levar a processos de produção novos e mais eficientes para tudo, desde tacos de golfe a motores.

Os cientistas há muito teorizam que esse vidro ideal deve existir, mas ninguém até hoje havia conseguido criá-lo física ou matematicamente.

“Se pudermos desenvolver uma compreensão muito melhor da transição vítrea e entender o que torna uma liga (uma combinação de metais) melhor ou pior na formação de um vidro metálico, poderemos projetar ligas que possam ser resfriadas muito mais lentamente. E então poderíamos realmente fazer coisas. Poderíamos moldar um motor de carro, poderíamos moldar um caça a jato. Seria revolucionário,” disse o professor Eric Corwin.

Vítreo é mais do que vidro

Para os físicos, os materiais vítreos abrangem muito mais do que aquilo que normalmente chamamos de vidro, o material transparente das janelas, garrafas, telas de celulares e óculos. Do ponto de vista científico, qualquer coisa sólida feita de arranjos amorfos de moléculas se qualifica como vidro, o que inclui plásticos, vidros metálicos e até mesmo alguns materiais biológicos.

Por exemplo, considere um copo de água. Quando resfriada a partir do estado líquido, a água forma gelo, um sólido cristalino ordenado em nível molecular. Por sua vez, as moléculas dos materiais vítreos formam uma estrutura rígida, mas na verdade permanecem desordenadas, como as moléculas da água líquida ou os grãos de areia em uma praia.

Em 1948, o químico Walter Kauzmann (1916-2009) formulou a teoria de que, à medida que o vidro esfria a temperaturas extremamente baixas, ele eventualmente atingiria um estado ideal no qual as moléculas estariam compactadas ao máximo. Quando as moléculas atingissem esse estado, o material se comportaria de maneira muito semelhante a um sólido cristalino e apresentaria propriedades aprimoradas, como um ponto de fusão mais alto, flexibilidade ou excepcional resistência à quebra sob tensão. Seria o tal “vidro ideal”.

Como é muito difícil simular moléculas, a equipe começou criando um arranjo no qual os análogos das moléculas tinham formato de discos redondos. A ideia era imitar a estrutura de um cristal bidimensional, na qual cada disco é circundado por seis discos vizinhos e está em contato com todos os seus vizinhos, como células em um favo de mel. Em seguida, a equipe desenvolveu um método para preservar a estrutura de discos perfeitamente compactados uns contra os outros, removendo completamente a estrutura cristalina repetida.

Rumo ao 3D

As simulações demonstraram que essas estruturas amorfas representam a configuração mais densa possível para um dado conjunto de discos.

Isso foi confirmado comparando as propriedades físicas do modelo de vidro ideal com as qualidades conhecidas de sólidos cristalinos. Ao analisar como o novo material responde à pressão, flexão, fusão e outras características, a equipe comprovou que seu modelo se comporta mais como um sólido cristalino do que como um sólido amorfo.

“A conclusão é que nossa estrutura se comporta mecanicamente de forma idêntica a um cristal, mesmo sendo completamente amorfa,” disse Corwin.

A ideia agora é expandir o experimento para o espaço tridimensional. Eventualmente, isso permitirá aprimorar os processos de fabricação e, potencialmente, permitir uma melhor compreensão de materiais como os vidros metálicos. Materiais metálicos com estrutura desordenada, em contraste com a estrutura ordenada de um metal ou liga convencional, possuem uma variedade de propriedades interessantes e úteis. Eles podem ser muito resistentes e pouco deformáveis, além de poderem ser fundidos e utilizados em moldagem por injeção.