Pode parecer inacreditável, mas cristais formados por partículas rotativas são reais. Um grupo de físicos de Aachen, Düsseldorf, Mainz e da Wayne State University (Detroit, EUA) explorou esses materiais incomuns e seu comportamento notável. Esses cristais podem facilmente se dividir em fragmentos separados, formar fronteiras de grão incomuns e exibir defeitos estruturais controláveis. Em um estudo publicado nos Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), os pesquisadores apresentam uma ampla estrutura teórica que pode prever várias novas propriedades desses chamados sistemas de “interação transversa”.
Sistemas Rotativos na Natureza e na Tecnologia
“Forças transversais” podem aparecer não apenas em materiais projetados, como certos sólidos magnéticos, mas também em sistemas biológicos. Em um experimento no Massachusetts Institute of Technology (MIT), pesquisadores observaram que grupos de embriões de estrela-do-mar, por meio de seus movimentos de natação, influenciavam o movimento uns dos outros de um modo que fazia com que girassem em torno uns dos outros. A função biológica desse movimento coordenado permanece incerta, mas compartilha a mesma característica fundamental encontrada nesses sistemas sintéticos: objetos rotativos interagentes.
O professor Dr. Hartmut Löwen, do Institute of Theoretical Physics II da Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU), explica: “Um sistema de muitos elementos constituintes rotativos apresenta um comportamento qualitativamente novo que é não intuitivo: em altas concentrações, esses objetos formam um corpo sólido de rotores, que possuem propriedades materiais ‘estranhas'”.
Uma dessas propriedades é conhecida como “elasticidade estranha”. Normalmente, quando um material é puxado, ele se estica na direção da força. Em contraste, um material elástico estranho não se estica — em vez disso, ele torce.
Torção, Ruptura e Reformação
Esse tipo de sólido “estranho” pode até se desintegrar por conta própria. Quando os blocos de construção rotativos esfregam-se entre si com força suficiente, o sólido pode fragmentar-se em muitos pequenos cristalitos giratórios. E, ainda mais surpreendentemente, esses fragmentos podem se reorganizar em uma estrutura coerente novamente.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Dr. Zhi-Feng Huang, da Wayne State University, e pelo professor Löwen desenvolveu um modelo teórico multiescalar para descrever o comportamento desses cristais estranhos. Usando esse modelo, eles realizaram simulações que revelaram padrões inesperados e possíveis usos tecnológicos para esses materiais rotativos.
Revertendo as Regras do Crescimento Cristalino
A equipe descobriu que grandes cristais regidos por interações transversais tendem a se decompor em unidades giratórias menores, enquanto cristais menores crescem até atingir um tamanho crítico específico. Esse resultado vai contra o crescimento cristalino convencional, onde os materiais normalmente se expandem continuamente sob condições favoráveis.
O professor Huang explica: “Descobrimos uma propriedade fundamental da natureza que fundamenta esse processo, que determina a relação entre o tamanho dos fragmentos críticos e sua velocidade de rotação”.
O coautor do estudo, professor Dr. Raphael Wittkowski, do DWI — Instituto Leibniz para Materiais Interativos e da RWTH Aachen University, acrescenta: “Demonstramos ainda como os defeitos nos cristais exibem dinâmicas próprias. A formação de tais defeitos pode ser influenciada externamente, permitindo que as propriedades dos cristais sejam controladas especificamente em vista de aplicações práticas”.
“Nossa teoria abrangente abrange todos os sistemas que evidenciam tais interações transversais. As aplicações concebíveis vão desde a pesquisa em coloides até a biologia”, declara o coautor Dr. Michael te Vrugt, professor assistente na Universidade de Mainz.
O professor Löwen acrescenta: “Os cálculos do modelo indicam um potencial de aplicação concreto. As novas propriedades elásticas desses novos cristais poderiam ser exploradas para inventar novos elementos de comutação técnica, por exemplo”.
Forças Centrais vs. Forças Transversais
Na física, interações como a gravidade e a força de Coulomb são conhecidas como forças centrais porque atuam ao longo da linha que conecta os centros de dois corpos. Essas forças fazem com que os objetos se movam em direção ou se afastem uns dos outros.
Por outro lado, interações transversais são uma classe de forças recentemente descoberta que atuam perpendicularmente a esse eixo central. Esse alinhamento incomum faz com que os corpos comecem a girar uns ao redor dos outros espontaneamente — uma dinâmica que está no coração desses recém-descobertos cristais rotativos.
