Assim como um fã de literatura pode explorar um romance para temas recorrentes, físicos e matemáticos procuram estruturas repetidas presentes em toda a natureza.
Por exemplo, uma certa estrutura geométrica de nós, que os cientistas chamam de Hopfion, se manifesta em cantos inesperados do universo, variando da física das partículas à biologia e à cosmologia. Como a espiral de Fibonacci e a proporção áurea, o padrão Hopfion une diferentes campos científicos, e uma compreensão mais profunda de sua estrutura e influência ajudará os cientistas a desenvolver tecnologias transformadoras.
Em um estudo teórico recente, cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), em colaboração com a Universidade de Picardie, na França, e a Universidade Federal do Sul da Rússia, descobriram a presença da estrutura Hopfion em partículas de tamanho nano. ferroelétricos – materiais com aplicações promissoras em microeletrônica e computação.
A identificação da estrutura Hopfion nas nanopartículas contribui para um padrão marcante na arquitetura da natureza em diferentes escalas, e o novo insight pode informar modelos de materiais ferroelétricos para o desenvolvimento tecnológico.
Os materiais ferroelétricos têm a capacidade única de inverter a direção de sua polarização elétrica interna – a ligeira mudança relativa de carga positiva e negativa em direções opostas – quando influenciados por campos elétricos. Os ferroelétricos podem até expandir ou contrair na presença de um campo elétrico, tornando-os úteis para tecnologias em que a energia é convertida entre mecânica e elétrica.
Neste estudo, os cientistas aproveitaram conceitos topológicos fundamentais com novas simulações em computador para investigar o comportamento em pequena escala das nanopartículas ferroelétricas. Eles descobriram que a polarização das nanopartículas assume a estrutura Hopfion atada presente em reinos aparentemente díspares do universo.
“As linhas de polarização que se entrelaçam em uma estrutura Hopfion podem dar origem às propriedades eletrônicas úteis do material, abrindo novas rotas para o design de dispositivos de armazenamento de energia e sistemas de informação baseados em ferroelétricos”, disse Valerii Vinokur, cientista sênior e membro destacado da Argonne’s Materials Divisão de ciências. “A descoberta também destaca uma tendência repetida em muitas áreas da ciência”.
O que (e onde) no mundo são os Hopfions?
Topologia, um subcampo da matemática, é o estudo de estruturas geométricas e suas propriedades. Uma estrutura topológica Hopfion, proposta pela primeira vez pelo matemático austríaco Heinz Hopf em 1931, surge em uma ampla gama de construções físicas, mas raramente é explorada na ciência convencional. Uma de suas características definidoras é que quaisquer duas linhas dentro da estrutura Hopfion devem ser ligadas, constituindo nós que variam em complexidade, de alguns anéis interconectados a um ninho matemático de ratos.
“O Hopfion é um conceito matemático muito abstrato”, disse Vinokur, “mas a estrutura aparece na hidrodinâmica, na eletrodinâmica e até no empacotamento de moléculas de DNA e RNA em sistemas e vírus biológicos”.
Na hidrodinâmica, o Hopfion aparece nas trajetórias de partículas líquidas que fluem dentro de uma esfera. Com o atrito negligenciado, os caminhos das partículas líquidas incompressíveis são entrelaçados e conectados. As teorias cosmológicas também refletem os padrões de Hopfion. Algumas hipóteses sugerem que os caminhos de todas as partículas do universo se entrelaçam da mesma maneira que as partículas líquidas de uma esfera.
De acordo com o estudo atual, a estrutura de polarização em uma nanopartícula ferroelétrica esférica assume esse mesmo redemoinho atado.
Simulando o redemoinho
Os cientistas criaram uma abordagem computacional que domava as linhas de polarização e lhes permitia reconhecer as estruturas emergentes do Hopfion em uma nanopartícula ferroelétrica. As simulações, realizadas pelo pesquisador Yuri Tikhonov da Universidade Federal do Sul e da Universidade de Picardie, modelaram a polarização dentro de nanopartículas entre 50 e 100 nanômetros de diâmetro, um tamanho realista para nanopartículas ferroelétricas em aplicações tecnológicas.
“Quando visualizamos a polarização, vimos surgir a estrutura Hopfion”, disse Igor Luk’yanchuck, um cientista da Universidade de Picardie. “Nós pensamos, uau, existe um mundo inteiro dentro dessas nanopartículas”.
Veja o vídeo relacionado, “Simulação da estrutura Hopfion em nanopartículas ferroelétricas” por Yuri Tikhonov, Universidade de Picardie e Universidade Federal do Sul da Rússia, e Anna Razumnaya, Universidade Federal do Sul, revelando a estrutura Hopfion das linhas de polarização dentro de uma nanopartícula ferroelétrica
As linhas de polarização reveladas pela simulação representam as direções dos deslocamentos entre as cargas dentro dos átomos, à medida que variam em torno da nanopartícula de maneira a maximizar a eficiência energética. Como a nanopartícula está confinada a uma esfera, as linhas viajam ao redor indefinidamente, nunca terminando na – ou escapando – da superfície. Esse comportamento é paralelo ao fluxo de um fluido ideal sobre um recipiente esférico fechado.
A ligação entre o fluxo líquido e a eletrodinâmica exibida nessas nanopartículas reforça um paralelismo teorizado há muito tempo. “Quando Maxwell desenvolveu suas famosas equações para descrever o comportamento das ondas eletromagnéticas, ele usou a analogia entre hidrodinâmica e eletrodinâmica”, disse Vinokur. “Desde então, os cientistas sugeriram esse relacionamento, mas demonstramos que há uma conexão real e quantificável entre esses conceitos que é caracterizada pela estrutura Hopfion”.
As conclusões do estudo estabelecem a importância fundamental do Hopfions para o comportamento eletromagnético das nanopartículas ferroelétricas. O novo insight pode resultar em maior controle das funcionalidades avançadas desses materiais – como sua supercapacitância – para aplicações tecnológicas.
“Os cientistas costumam ver as propriedades da ferroelétrica como conceitos separados que são altamente dependentes da composição e do tratamento químico”, disse Luk’yanchuck, “mas essa descoberta pode ajudar a descrever muitos desses fenômenos de uma maneira geral e unificadora”.
Outra possível vantagem tecnológica dessas estruturas topológicas de pequena escala está na memória para computação avançada. Os cientistas estão explorando o potencial de materiais ferroelétricos para sistemas computacionais. Tradicionalmente, a polarização reversível dos materiais poderia permitir que eles armazenassem informações em dois estados separados, geralmente chamados de 0 e 1. No entanto, microeletrônica feita de nanopartículas ferroelétricas pode ser capaz de alavancar sua polarização em forma de Hopfion para armazenar informações em maneiras mais complexas.
“Dentro de uma nanopartícula, você pode escrever muito mais informações por causa desses fenômenos topológicos”, disse Luk’yanchuck. “Nossa descoberta teórica pode ser um passo inovador no desenvolvimento de futuros computadores neuromórficos que armazenam informações de maneira mais orgânica, como as sinapses em nossos cérebros”.
Planos futuros
Para realizar estudos mais aprofundados sobre os fenômenos topológicos da ferroelétrica, os cientistas planejam alavancar as capacidades de supercomputação de Argonne. Os cientistas também planejam testar a presença teórica de Hopfions em nanopartículas ferroelétricas usando a Fonte Avançada de Fótons (APS) de Argonne, um Escritório de Ciência do Usuário do DOE.
“Vemos esses resultados como um primeiro passo”, disse Vinokur. “Nossa intenção é estudar o comportamento eletromagnético dessas partículas, considerando a existência de Hopfions, bem como confirmar e explorar suas implicações. Para essas pequenas partículas, este trabalho só pode ser realizado usando um síncrotron, por isso temos a sorte de poder capaz de usar o APS de Argonne. ”
Um artigo baseado no estudo, “Hopfions emergem em ferroelétrica”, apareceu on-line na Nature Communications em 15 de maio. Os autores do estudo também incluem Anna Razumnaya, da Universidade Federal do Sul da Rússia. A pesquisa em Argonne foi financiada pelo Departamento de Ciências do Departamento de Energia, Departamento de Ciências Básicas de Energia. A pesquisa nas instituições colaboradoras foi financiada pela iniciativa HORIZON 2020 da Comissão Europeia.
O Laboratório Nacional de Argonne busca soluções para problemas prementes da ciência e tecnologia. Primeiro laboratório nacional do país, Argonne conduz pesquisas científicas básicas e aplicadas de ponta em praticamente todas as disciplinas científicas. Os pesquisadores de Argonne trabalham em estreita colaboração com pesquisadores de centenas de empresas, universidades e agências federais, estaduais e municipais para ajudá-los a resolver seus problemas específicos, avançar a liderança científica da América e preparar a nação para um futuro melhor. Com funcionários de mais de 60 países, Argonne é gerenciada pela UChicago Argonne, LLC para o Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA.
Publicado em 28/05/2020 19h54
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