Teoria prevê novo tipo de ligação que monta cristais de nanopartículas

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Nanopartículas em forma de orbital de prisma. A densidade das pseudopartículas em torno das formas das nanopartículas se assemelha à densidade eletrônica nos orbitais eletrônicos dos átomos. Crédito: Thi Vo, Grupo Glotzer, Universidade de Michigan

A entropia, uma propriedade física frequentemente explicada como "desordem", é revelada como criadora da ordem com uma nova teoria de ligação desenvolvida na Universidade de Michigan e publicada na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Os engenheiros sonham em usar nanopartículas para construir materiais de design, e a nova teoria pode ajudar a orientar os esforços para fazer as nanopartículas se agruparem em estruturas úteis. A teoria explica resultados anteriores explorando a formação de estruturas cristalinas por nanopartículas com restrição de espaço, permitindo que a entropia seja quantificada e aproveitada em esforços futuros.

E curiosamente, o conjunto de equações que governam as interações das nanopartículas devido à entropia espelha aquelas que descrevem as ligações químicas. Sharon Glotzer, presidente do Departamento de Engenharia Química Anthony C. Lembke, e Thi Vo, pesquisador de pós-doutorado em engenharia química, responderam a algumas perguntas sobre sua nova teoria.

O que é ligação entrópica?

Glotzer: “A ligação entrópica é uma maneira de explicar como as nanopartículas interagem para formar estruturas cristalinas. entropia".

"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, acontece que o arranjo mais provável das nanopartículas pode ser uma estrutura cristalina específica. Essa estrutura dá ao sistema mais opções , e, portanto, a mais alta entropia. Grandes forças entrópicas surgem quando as partículas se aproximam umas das outras".

"Ao fazer os estudos mais extensivos das formas das partículas e dos cristais que elas formam, meu grupo descobriu que, à medida que você muda a forma, muda a direcionalidade das forças entrópicas que orientam a formação dessas estruturas cristalinas. Essa direcionalidade simula uma ligação e uma vez que é impulsionado pela entropia, chamamos isso de ligação entrópica".

Por que isso é importante?

Glotzer: "A contribuição da entropia para criar ordem é muitas vezes negligenciada ao projetar nanopartículas para automontagem, mas isso é um erro. Se a entropia está ajudando seu sistema a se organizar, talvez você não precise projetar atração explícita entre partículas - por exemplo, usando DNA ou outras moléculas pegajosas — com uma interação tão forte quanto você pensou. Com nossa nova teoria, podemos calcular a força dessas ligações entrópicas."

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

Os elétrons são a chave para essas equações químicas. Como você fez isso quando nenhuma partícula media as interações entre suas nanopartículas?

Glotzer: "A entropia está relacionada ao espaço livre no sistema, mas por anos eu não sabia como contar esse espaço. O grande insight foi que poderíamos contar esse espaço usando partículas pontuais fictícias. E isso nos deu o análogo matemático dos elétrons”.

Vo: "As pseudopartículas se movem ao redor do sistema e preenchem os espaços que são difíceis para outra nanopartícula preencher - chamamos isso de volume excluído em torno de cada nanopartícula. concentração de pseudopartículas nessas regiões aumenta. As ligações entrópicas são onde essa concentração é mais alta".

"Em condições de superlotação, a entropia perdida pelo aumento da ordem é superada pela entropia obtida pela redução do volume excluído. Como resultado, a configuração com a maior entropia será aquela em que as pseudopartículas ocuparão menos espaço".

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Mais informações: Thi Vo et al, A teoria da ligação entrópica, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2116414119

Informações do jornal: Proceedings of the National Academy of Sciences 

Fornecido pela Universidade de Michigan

Fonte: Phys News  / pela Universidade de Michigan  / 19-01-2022

https://phys.org/news/2022-01-theory-bond-nanoparticle-crystals.html   

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Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.

Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.

Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.

Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.

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