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Materiais Avançados

Lei de Arrhenius é desbancada no reino da mecânica quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/02/2020

Lei de Arrhenius é desbancada no reino da mecânica quântica
A Lei de Arrhenius não consegue explicar o que está acontecendo quando os elementos envolvidos submetem-se às regras da mecânica quântica.
[Imagem: Kazuto Arakawa et al. - 10.1038/s41563-019-0584-0]

Lei do mundo clássico

A Lei de Arrhenius é amplamente usada para descrever e calcular a variação na taxa de uma reação química em função da temperatura.

Segundo essa lei, em um determinado material a uma temperatura ultrabaixa, o movimento de quaisquer átomos mais pesados do que o hidrogênio é substancialmente mais lento ou mesmo "congelado": de fato, o material e seus defeitos são descritos como imóveis.

Mas parece que a validade dessa lei é mais restrita do que se imaginava.

Kazuto Arakawa e seus colegas de instituições da França e do Japão revelaram limitações da Lei de Arrhenius mostrando que a mecânica quântica é essencial para explicar a evolução dos materiais e suas microestruturas - a mecânica quântica explica os fenômenos observados envolvendo o comportamento de partículas de massa muito baixa, como elétrons, múons ou mesmo átomos de hidrogênio.

Os pesquisadores analisaram o movimento dos defeitos em uma amostra de tungstênio à temperatura criogênica - a massa de um átomo de tungstênio (W) é equivalente à de 183 átomos de hidrogênio (H).

Esses defeitos consistem em átomos "intersticiais", átomos extras mal posicionados na pilha regular de átomos que constituem a estrutura cristalina de um metal ou mineral.

Correção de conclusões

Ao submeter esse material à irradiação eletrônica, os pesquisadores observaram que um aglomerado de átomos pode deixar o perímetro de uma impureza antes de ser preso por outra, mostrando que há movimento lá embaixo.

Lei de Arrhenius é desbancada no reino da mecânica quântica
As coisas não ficam tão "travadas" no reino atômico e molecular como os cienitstas pensavam até agora.
[Imagem: Kazuto Arakawa et al. - 10.1038/s41563-019-0584-0]

Como a Lei de Arrhenius estabelece que tudo deveria estar "congelado", a equipe precisou lançar mão da mecânica quântica para interpretar seus dados experimentais.

Assim, a mecânica quântica é essencial para entender, calcular e simular a evolução dos materiais e suas microestruturas, propõem Arakawa e seus colegas.

A equipe acrescenta que todos os experimentos clássicos - não quânticos - realizados a temperaturas criogênicas precisam ter suas conclusões revisadas.

Como exemplo, eles citam experimentos de recozimento para medir variações na resistividade de um material ou seu atrito interno. Todos os estudos publicados até hoje oferecem interpretações quantitativas baseadas unicamente na Lei de Arrhenius, em uma situação que agora se sabe que ela não é válida.

Bibliografia:

Artigo: Quantum de-trapping and transport of heavy defects in tungsten
Autores: Kazuto Arakawa, Mihai-Cosmin Marinica, Steven Fitzgerald, Laurent Proville, Duc Nguyen-Manh, Sergei L. Dudarev, Pui-Wai Ma, Thomas D. Swinburne, Alexandra M. Goryaeva, Tetsuya Yamada, Takafumi Amino, Shigeo Arai, Yuta Yamamoto, Kimitaka Higuchi, Nobuo Tanaka, Hidehiro Yasuda, Tetsuya Yasuda, Hirotaro Mori
Revista: Nature Materials
DOI: 10.1038/s41563-019-0584-0





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