Entropia junta nanopartículas assim como ligações químicas juntam átomos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/02/2022

Simulações das "forças entrópicas" agindo sobre as nanopartículas, fazendo-as se unir.
[Imagem: Thi Vo]

Entropia como geradora de ordem

A entropia, uma propriedade física frequentemente explicada como "desordem", pode na verdade ser usada como uma criadora de ordem.

Acontece que a entropia liga nanopartículas da mesma forma que os elétrons ligam os elementos e compostos químicos.

"Muitas vezes, a entropia está associada à desordem, mas na verdade trata-se de opções. Quando as nanopartículas são aglomeradas e as opções são limitadas, verifica-se que o arranjo mais provável dessas nanopartículas pode ser uma estrutura cristalina particular. Essa estrutura dá ao sistema mais opções e, portanto, uma maior entropia. Grandes forças entrópicas surgem quando as partículas se aproximam umas das outras," explicou a professora Sharon Glotzer, da Universidade de Michigan, nos EUA.

Já são mais de dez anos desde que a professora Glotzer demonstrou que a entropia cria cristais complexos.

Agora, com a colaboração do seu colega Thi Vo, ela finalmente conseguiu elaborar uma teoria que explica seus próprios resultados experimentais - e os de outros, que se seguiram após suas demonstrações pioneiras.

A nova teoria pode ajudar a orientar os esforços para fazer as nanopartículas se agruparem em estruturas úteis, tornando-se uma ferramenta essencial para os engenheiros, que sonham em usar nanopartículas para construir materiais projetados para terem características específicas.

A teoria da ligação entrópica é em tudo parecida com a teoria das ligações químicas.
[Imagem: Thi Vo]

Ligações entrópicas

A nova teoria explica os resultados experimentais explorando a formação das estruturas cristalinas a partir de nanopartículas soltas em solução, mas com restrição de espaço - é esta restrição de espaço que permite que a entropia seja quantificada e seu papel descrito na forma de equações.

Calculando o volume dentro da estrutura da mecânica estatística, as equações descrevem as forças entrópicas direcionais que emergem coletivamente entre as nanopartículas.

Curiosamente, o conjunto de equações que a dupla elaborou para descrever as interações de nanopartículas devido à entropia espelham aquelas que descrevem as ligações químicas, ou seja, tudo é descrito nos termos familiares usados para descrever as ligações químicas.

Em outras palavras, as ligações entrópicas juntam as nanopartículas assim como as ligações químicas juntam os átomos.

"Assim como as ligações químicas, que mantêm os átomos unidos nos cristais, as forças estatísticas emergentes que mantêm as partículas coloidais duras devem ser descritíveis usando a linguagem das ligações químicas. Considerando que os cristais atômicos podem ser previstos a priori resolvendo a equação de Schrodinger, apresentamos uma teoria de ligação entrópica que permite a previsão de cristais coloidais resolvendo uma equação de autovalor diferente, facilitada pelo uso de orbitais de forma construídos matematicamente, análogos aos orbitais atômicos," escreveu a dupla.

Para funcionarem, as ligações entrópicas precisam de uma limitação espacial.
[Imagem: Michael Engel]

Surpreendente e prático

A teoria de ligação entrópica é um caso que inverte o padrão clássico da ciência, em que teorias são elaboradas e então os experimentalistas partem para comprová-la na prática.

De fato, a equipe já havia usado as ligações entrópicas para construir o cristal mais complexo do mundo, ainda que não conseguissem explicar como ele havia se formado. Agora tudo faz sentido.

"Embora saibamos que as interações entrópicas podem ser direcionais como as ligações químicas, nosso avanço é que podemos descrever essas ligações com uma teoria que corresponde linha por linha à teoria que você escreveria para as interações dos elétrons nas ligações químicas reais. Isso é profundo. Estou surpresa que seja possível fazer isso. Matematicamente falando, isso coloca as ligações químicas e as ligações entrópicas em pé de igualdade. Isso é fundamentalmente importante para nossa compreensão da matéria e importante na prática para fabricar novos materiais," concluiu Glotzer.

Mais tópicos