Um intermediário raro e desconcertante entre cristal e vidro pode ser o arranjo mais estável para algumas combinações de átomos, de acordo com um estudo da Universidade de Michigan.
As descobertas vêm das primeiras simulações mecânicas quânticas de quasicristais-um tipo de sólido que os cientistas já pensavam que não poderia existir. Enquanto os átomos nos quasicristais estão dispostos em uma treliça, como em um cristal, o padrão de átomos não se repete como em cristais convencionais. O novo método de simulação sugere que quase -cristais – como cristais – são materiais fundamentalmente estáveis, apesar de sua semelhança com sólidos desordenados como vidro que se formam como conseqüência de rápido aquecimento e resfriamento.
“Precisamos saber como organizar átomos em estruturas específicas, se queremos projetar materiais com propriedades desejadas”, disse Wenhao Solar, professor assistente de ciência e engenharia de materiais da Dow Early Profession, e o autor correspondente do artigo publicado hoje na Nature Physics. “Quasicristais nos forçaram a repensar como e por que certos materiais podem se formar. Até o nosso estudo, não ficou claro aos cientistas por que eles existiam”.
Quasicristais pareciam desafiar a física quando foram descritos pela primeira vez pelo cientista israelense Daniel Shechtman em 1984. Ao experimentar ligas de alumínio e manganês, Shechtman percebeu que alguns dos átomos dos metais estavam dispostos em uma estrutura icosahedral que se assemelhava a muitos cúpulas de 20 lados a serem utilizados em seus faces. Essa forma deu ao materials simetria de cinco vezes-idêntica a partir de cinco pontos de vista diferentes.
Os cientistas da época pensavam que os átomos dentro dos cristais só podiam ser organizados em sequências que se repetem em cada direção, mas a simetria de cinco vezes impedia esses padrões. Shechtman inicialmente enfrentou intenso escrutínio por sugerir o impossível, mas outros laboratórios mais tarde produziram seus próprios quasicristais e os encontraram em meteoritos de bilhão de anos.
Shechtman acabou ganhando o Prêmio Nobel de Química em 2011 por sua descoberta, mas os cientistas ainda não podiam responder a perguntas fundamentais sobre como se formavam quase -cristais. O obstáculo period que a teoria funcional da densidade-o método mecânico quântico para calcular a estabilidade de um cristal-depende de padrões que repetem infinitamente em uma sequência, que falta de quase-cristais.
“O primeiro passo para entender um materials é saber o que o torna estável, mas tem sido difícil dizer como os quase -cristais foram estabilizados”, disse Woohyeon Baek, um estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais e o primeiro autor do estudo.
Os átomos em qualquer materials dado geralmente organizam em cristais para que as ligações químicas atinjam a menor energia possível. Os cientistas chamam essas estruturas de cristais estabilizados por entalpia. Mas outros materiais se formam porque têm alta entropia, o que significa que existem muitas maneiras diferentes de seus átomos serem organizados ou vibrarem.
O vidro é um exemplo de um sólido estabilizado com entropia. Ele se forma quando a sílica derretida esfria rapidamente, congelando os átomos em uma forma sem padrão. Mas se as taxas de resfriamento lentas ou uma base for adicionada à sílica aquecida, os átomos poderão organizar em cristais de quartzo – o estado de energia mais baixo e preferido à temperatura ambiente. Quasicristais são um intermediário intrigante entre vidro e cristal. Eles pediram arranjos atômicos localmente como cristais, mas como vidro, não formam padrões de repetição de longo alcance.
Para determinar se os quase-cristais são estabilizados com entalpia ou entropia, o método do pesquisador obtém nanopartículas menores de um bloco simulado maior de quasicristais. Os pesquisadores calculam então a energia whole em cada nanopartícula, o que não requer uma sequência infinita porque a partícula definiu limites.
Como a energia em uma nanopartícula está relacionada ao seu quantity e área de superfície, repetir os cálculos para nanopartículas de tamanhos crescentes permite que os pesquisadores extrapolem a energia whole dentro de um bloco maior de quasicristais. Com esse método, os pesquisadores descobriram que dois quase estudados quase são estabilizados com entalpia. Um é uma liga de escândio e zinco, o outro de Ytterbium e cádmio.
As estimativas mais precisas da energia quase -cifra requerem as maiores partículas possíveis, mas a ampliação das nanopartículas é difícil com os algoritmos padrão. Para nanopartículas com apenas centenas de átomos, dobrar os átomos aumenta o tempo de computação oito vezes. Mas os pesquisadores também encontraram uma solução para o gargalo da computação.
“Nos algoritmos convencionais, todo processador de computadores precisa se comunicar, mas nosso algoritmo é até 100 vezes mais rápido porque apenas os processadores vizinhos se comunicam, e efetivamente usamos a aceleração da GPU em supercomputadores”, disse o co-autor do estudo Vikram Gavini, professor de mecânicos de engenharia e ciência e engenharia.
“Agora podemos simular materiais de vidro e amorfo, interfaces entre diferentes cristais, bem como defeitos de cristal que podem permitir bits de computação quântica”.
A pesquisa é financiada pelo Departamento de Energia dos EUA e baseou -se em recursos de computação alojados no Laboratório Nacional da Universidade do Texas, Lawrence Berkeley e Oak Ridge Nationwide.
