Uma nova maneira de cultivar quasicristais grandes e sem defeitos foi desenvolvida por pesquisadores nos Estados Unidos. Por meio de uma combinação de experimentos e simulações, Ashwin Shahani e colegas da Universidade de Michigan mostraram como aglomerados de quasicristais em crescimento podem se aglutinar para criar estruturas maiores, desde que estejam alinhados entre si. Os resultados podem abrir caminho para uma nova onda de interesse por materiais exóticos.
Um quasicristal é um arranjo de átomos que tem ordem de longo alcance, mas não tem a simetria translacional possuída pelos cristais convencionais. Um exemplo matemático é o ladrilho de Penrose, no qual ladrilhos com duas formas diferentes podem ser organizados para formar padrões complexos.
O primeiro material quasicristal foi descoberto na década de 1980 e, à medida que mais quasicristais foram encontrados, tornou-se claro que os materiais têm uma gama de propriedades mecânicas, térmicas e elétricas interessantes que poderiam ser usados em uma ampla gama de aplicações práticas.
Barreira intransponível
No entanto, na década de 2000, o desenvolvimento de tecnologias de quasicristais estagnou por causa de uma barreira aparentemente intransponível: parecia que fazer quasicristais adequadamente grandes era extremamente difícil. Quando métodos convencionais, como crescimento de cristal em massa e deposição de película fina, são usados, grandes amostras quasicristais apresentam defeitos, como contornos de grão, em suas estruturas atômicas que convidam à corrosão. Isso limita o tamanho útil de um quasicristal a apenas alguns centímetros.
Em seu estudo, a equipe de Shahani usou tomografia de raios-X 3D para observar a formação em tempo real de quasicristais dentro de uma mistura fundida de alumínio, cobalto e níquel. Em uma configuração no Laboratório Nacional de Argonne, eles observaram inicialmente o crescimento de vários quasicristais sem defeitos na mistura. À medida que a mistura esfriava, os pesquisadores viram que esses pequenos quasicristais colidiram uns com os outros e então se uniram para formar quasicristais maiores e livres de defeitos com simetria rotacional dez vezes maior.
Dinâmica Molecular
Em seguida, a equipe fez simulações de dinâmica molecular para tentar entender como os defeitos presentes quando os quasicristais inicialmente unidos foram capazes de se “autocurar” durante a coalescência. Variando as condições em cada execução de sua simulação, eles identificaram as condições necessárias para que os quasicristais menores se aglutinassem, nas mesmas escalas de tempo e comprimento que observaram na vida real.
Quando os quasicristais virtuais estavam ligeiramente desalinhados uns com os outros, eles giravam em alinhamento sob a influência de quasipartículas chamadas de “fásons” – que estão associadas a rearranjos atômicos dentro dos quasicristais. Esse comportamento não ocorria quando os quasicristais estavam fora de um determinado intervalo de alinhamento e limites de grão indesejados podiam se formar.
A equipe de Shahani espera que seus novos insights sobre o cultivo de quasicristais possam fornecer uma orientação valiosa no desenvolvimento de processos industriais que são capazes de produzir quasicristais grandes e de alta qualidade. Isso pode, por sua vez, levar a um ressurgimento do interesse comercial nos materiais exóticos, potencialmente abrindo novos caminhos de pesquisa em suas aplicações práticas.
Publicado em 02/11/2021 16h31
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