O “vidro ideal” que se comporta como um cristal pode afinal ser possível.

Os físicos nos EUA afirmam ter desenvolvido uma simulação que, pela primeira vez, mostra que o vidro ideal pode existir, resolvendo um paradoxo discutido há décadas.

Porque é que o vidro comum se parece mais com um líquido do que com cristais

Em certos aspetos, o vidro de um copo de água com gelo tem mais em comum com o líquido do que com os cristais congelados a boiar lá dentro. As suas moléculas estão desordenadas, tal como num líquido - uma estrutura aleatória que corresponde apenas a uma de inúmeras configurações possíveis.

Num vidro ideal, o cenário seria diferente: aquilo que parece um amontoado caótico de moléculas não teria alternativas. Ou, na linguagem da física, teria uma entropia mínima.

O paradoxo do vidro ideal desde Kauzmann (1948)

Este tipo de vidro foi debatido pela primeira vez em 1948, quando o químico Walter Kauzmann sugeriu que, como a entropia desce à medida que os líquidos arrefecem e formam vidro, poderia existir uma temperatura suficientemente baixa para a eliminar por completo. A disposição continuaria a ser aleatória, mas estaria empacotada com tal precisão que não poderia ser reorganizada de qualquer outra forma.

Nas décadas seguintes, a viabilidade deste vidro paradoxalmente “ordenado” foi alvo de discussão intensa.

Uma simulação em 2D indica que o vidro ideal é possível

No novo estudo, a física Viola Bolton-Lum, da Universidade do Oregon, e colegas recorreram a modelos computacionais para demonstrar que o vidro ideal é possível em 2D - um vidro com partículas numa disposição amorfa, mas simultaneamente muito ordenada e uniforme, de forma a comportar-se como um cristal perfeito.

"Para além de resolver um mistério de longa data, esta metodologia representa um atalho valioso na geração de sistemas vítreos bem equilibrados", escrevem os investigadores no artigo publicado.

"A criação deste tipo de empacotamento ideal torna possível uma exploração e explicação completas de sistemas bidimensionais congestionados e vítreos."

Porque o arrefecimento normal não chega

Ficou claro que o arrefecimento convencional não permitiria alcançar o estado de vidro ideal - exigiria um tempo infinito. Para os seus modelos, os autores introduziram uma espécie de “código batota” que permite redimensionar as partículas do vidro enquanto estas são empacotadas.

Esse grau adicional de flexibilidade é decisivo: produz um vidro que parece amorfo, mas que exibe características cristalinas. Em concreto, o vidro obtido torna-se muito mais rígido e estável do que o vidro normal, com cada partícula a apresentar, em média, seis pontos de contacto com uma vizinha, ganhando assim suporte adicional.

"Achamos que encontrámos uma solução, ao mostrar que este estado não é um paradoxo de todo", disse o físico Eric Corwin, também da Universidade do Oregon, a Ingrid Fadelli no Phys.org. "Na verdade, conseguimos construí-lo."

Como se comportaria um vidro ideal: vibrações e hiperuniformidade

Uma diferença importante em relação ao vidro comum seria a resposta a um impacto. Em vez de provocar vibrações algo desorganizadas e “sujas”, como acontece no vidro normal, o vidro ideal vibraria com uniformidade perfeita - como um diamante, por exemplo.

O novo material exibiria ainda o que é designado por hiperuniformidade. Visto de perto, não se observariam aglomerações de partículas nem espaços vazios: cada partícula ocuparia exatamente a porção de espaço adequada.

Ainda é teoria (por agora)

É importante sublinhar que este trabalho é teórico: ninguém fabricou ainda vidro ideal em laboratório. Aliás, os próprios investigadores reconhecem que os processos padrão de aquecimento e arrefecimento não serão suficientes para produzir este vidro - será necessário encontrar abordagens novas antes de o material poder ser criado.

Ainda assim, os resultados indicam que o vidro ideal não é impossível e, dadas as suas propriedades particulares, provavelmente teria utilidade em várias aplicações. Quais poderão ser essas aplicações é difícil de prever, porque ainda é cedo para imaginar a utilização prática deste material.

Há muito para investigar sobre o vidro ideal e o seu desenvolvimento, sobretudo no que diz respeito a como replicar, em processos reais de fabrico físico, o “código batota” usado nas simulações. Tendo em conta os avanços em ciência dos materiais, há motivos para acreditar que o vidro ideal possa um dia existir.

"Serão necessárias abordagens novas para criar estes empacotamentos na prática, uma vez que não são acessíveis através de processos térmicos ou mecânicos comuns", escrevem os investigadores.

"Para criar estes sistemas na prática teria de ser desenvolvida uma implementação física do nosso algoritmo."

A investigação foi publicada na revista Cartas de Revisão Física.