Zentropia e a arte de projetar melhores experimentos e criar novos materiais

Com informações da PSU - 22/08/2023

O calor do Sol resulta em vários exemplos de fenômenos cruzados, como a evaporação da água e a fotossíntese.
[Imagem: Elizabeth Flores-Gomez Murray]

O que é Zentropia?

Os sistemas no Universo tendem à desordem, de modo que manter o caos sob controle exige a injeção de energia. O conceito é chamado de entropia, e exemplos podem ser encontrados em todos os lugares: O derretimento do gelo, a queima de fogueiras, a fervura da água e virtualmente quase todo o resto.

Agora, os cientistas estão propondo acrescentar um outro nível à entropia, criando a zentropia.

A ideia é levar em conta como a entropia pode ocorrer em várias escalas dentro de um sistema, para ajudar a prever resultados potenciais do sistema quando influenciado por seu ambiente.

O "Z" em zentropia representa a palavra alemã zustandssumm, que significa "soma sobre estados" de entropia. Alternativamente, a zentropia pode ser considerada como uma brincadeira com o termo "zen" do budismo, com a zentropia fornecendo uma visão sobre a natureza de um sistema.

Fenômenos cruzados

A zentropia é baseada na entropia, a parte da 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. A zentropia considera como a entropia ocorre em várias escalas dentro de um sistema, começando pelas medições experimentais da termodinâmica, passando pela mecânica estatística e chegando até a mecânica quântica.

Isso permite estudar fenômenos cruzados, que são as respostas de um sistema a diferentes estímulos externos. Esses fenômenos cruzados ocorrem em praticamente qualquer sistema, em todas as escalas. Sua existência explica, por exemplo, como um estímulo externo (a queima de um combustível) impulsiona o fluxo das peças dentro de um motor e como a funcionalidade e a eficácia do motor dependem da força motriz e da mobilidade das peças que o compõem. Mas os exemplos são inúmeros.

"Se você definir um gradiente de temperatura em um material termoelétrico, ele gerará eletricidade e, assim, produzirá eletricidade, como a usada nas espaçonaves da NASA. Enquanto que, se você aplicar uma forte corrente elétrica, isso pode fazer com que a temperatura caia, o que pode ser útil para refrigeração. Estes são fenômenos cruzados," explicou o professor Zi-Kui Liu, da Universidade do Estado da Pensilvânia, nos EUA.

Aplicação do conceito de zentropia aos materiais ferroelétricos.
[Imagem: Zi-Kui Liu et al. - 10.1016/j.scriptamat.2023.115480]

Zentropia dos ferroelétricos

A proposta vem acompanhada de uma demonstração de como este conceito pode oferecer uma maneira de prever o resultado dos experimentos e permitir a descoberta e o design mais eficiente de novos materiais. Trabalhando com materiais ferroelétricos como exemplo, a demonstração incorpora muita física e alguma intuição para fornecer um caminho livre de parâmetros para prever como esses materiais avançados se comportam.

Os ferroelétricos têm propriedades únicas, que os tornam valiosos para uma variedade de aplicações, dos músculos robóticos e componentes neuromórficos à computação protônica.

Uma dessas propriedades é a polarização elétrica espontânea, que pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico para viabilizar tecnologias que vão desde o ultrassom a impressoras a jato de tinta, memórias RAM com eficiência energética e giroscópios ferroelétricos em celulares, garantindo vídeos suaves e fotos nítidas.

Para desenvolver essas tecnologias, os pesquisadores precisam entender o comportamento dessa polarização e sua reversão. Por uma questão de eficiência, os pesquisadores geralmente projetam seus experimentos com base nos resultados previstos. Normalmente, essas previsões requerem ajustes, chamados "parâmetros de ajuste", para corresponder de perto às variáveis do mundo real, que levam tempo e energia para serem determinadas.

É aí que entra a zentropia, integrando mecânica quântica de cima para baixo e de baixo para cima para prever medidas experimentais do sistema - sem depender dos parâmetros de ajuste.

"É claro que, no final das contas, os experimentos é que serão o teste final, mas descobrimos que a zentropia pode fornecer uma previsão quantitativa que pode reduzir significativamente as possibilidades", disse Liu. "Você pode projetar experimentos melhores para explorar materiais ferroelétricos, e o trabalho de pesquisa pode ser muito mais rápido, o que significa que você economiza tempo, energia e dinheiro e é mais eficiente."

Um instantâneo das simulações de dinâmica molecular feitas pela equipe.
[Imagem: Zi-Kui Liu]

Espaço para a intuição

Nos ferroelétricos, a configuração dos dipolos elétricos pode alterar a direção da polarização. Os pesquisadores aplicaram o conceito de zentropia para prever as transições de fase no titanato de chumbo, o que permitiu a identificação de três tipos de configurações possíveis no material - esse composto de chumbo está na base de uma nova tecnologia de memórias magnéticas.

As previsões foram efetivas e concordantes com as observações feitas durante experimentos relatados na literatura científica. A equipe também usou dados disponíveis publicamente sobre as energias da parede de domínio para prever uma temperatura de transição de 776 Kelvin, mostrando uma concordância notável com a temperatura de transição experimental observada, de 763 Kelvin.

A equipe está trabalhando para reduzir essa diferença entre as temperaturas previstas e observadas, mas essas previsões tão próximas da realidade já podem fornecer um guia seguro para que os cientistas usem sua intuição para conduzir o restante do experimento.

"Isso basicamente significa que você pode ter algumas intuições e uma abordagem preditiva sobre como um material se comporta micro e macroscopicamente antes de conduzir os experimentos," disse Liu. "Podemos começar a prever o resultado com precisão antes do experimento."

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