Material alienígena é construído com ondas de ultra-som

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/04/2021

Parece um padrão repetitivo, mas os quasicristais nunca se repetem.
[Imagem: Fernando Guevara Vasquez]

Quasicristais

Uma equipe formada por matemáticos e engenheiros da Universidade de Utah, nos EUA, desenvolveu uma técnica que usa ondas sonoras para organizar nanopartículas em padrões que nunca se repetem.

O objetivo é criar quasicristais, materiais cujos átomos se organizam em padrões únicos e, por conta disso, apresentam propriedades elétricos e magnéticas não encontradas em nenhum outro material.

Sendo possível organizar esses padrões, torna-se possível fabricar materiais com essas propriedades perfeitamente ajustadas às necessidades da aplicação que se tem em mente.

"Os quasicristais são interessantes de estudar porque eles têm propriedades que os cristais não têm," explicou o professor Fernando Vasquez. "Eles se mostraram mais rígidos do que materiais semelhantes periódicos ou desordenados. Eles também podem conduzir eletricidade ou espalhar ondas de maneiras diferentes dos cristais."

De fato, os quasicristais, cuja descoberta rendeu o Nobel de Química de 2011, são tão peculiares que alguns cientistas até defendem que os quasicristais são extraterrestres.

Esquema do experimento.
[Imagem: Elena Cherkaev et al. - 10.1103/PhysRevLett.126.145501]

Material construído com ultra-som

Enquanto as cerâmicas e vidros têm seus átomos dispersos de forma totalmente bagunçada, os materiais cristalinos - aí incluídos os metais - têm seus átomos organizados de forma periódica - abstraídas as impurezas, dá para você "copiar e colar" a estrutura de um cristal para criar um maior.

Mas isso não é possível com os quasicristais, cujos arranjos atômicos nunca se repetem.

A equipe ainda não está trabalhando com átomos, mas com nanopartículas de carbono. Eles descobriram que dois pares de alto-falantes emitindo ultra-sons são suficientes para posicionar com precisão essas partículas em um plano 2D - quando elas estão boiando na água, por exemplo.

Foi aí que os matemáticos entraram, calculando a posição e as características das ondas sonoras que seriam necessárias para manipular as nanopartículas para que elas se organizassem em um padrão previamente definido.

A configuração mínima consistiu em quatro pares de alto-falantes, emitindo ultra-sons, dispostos em um arranjo octogonal, parecido com uma placa de trânsito. "Nós sabíamos que esta seria a configuração mais simples onde poderíamos demonstrar arranjos de partículas quasiperiódicas," disse Vasquez. "Também tínhamos controle limitado sobre quais sinais usar para alimentar os transdutores de ultra-som; basicamente, podíamos usar apenas o sinal ou seu negativo."

No interior dessa configuração octogonal, a equipe colocou pequenas nanopartículas de carbono suspensas na água. Assim que os transdutores foram ligados, as ondas de ultra-som guiaram as partículas de carbono, criando um padrão quasiperiódico semelhante a um mosaico de Penrose, um dos quasicristais mais estudados.

A equipe criou um mosaico de Penrose com excelente correspondência com a teoria.
[Imagem: Fernando Guevara Vasquez]

Quasicristais sintéticos

A próxima etapa será realmente fabricar um material com um arranjo de padrão quasiperiódico. Isso não será difícil, garante Vasquez, uma vez que, se as partículas ficarem suspensas em um polímero, em vez de água, o polímero pode ser curado ou endurecido assim que as partículas estiverem em posição.

"Com este método podemos criar materiais quasiperiódicos que são 2-D ou 3-D e que podem ter essencialmente qualquer uma das simetrias quasiperiódicas comuns simplesmente escolhendo como organizamos os transdutores de ultra-som e como os alimentamos," disse Vasquez.

Só então será possível ver se esses quasicristais sintéticos poderão mesmo ser úteis, mas uma eventual aplicação pode ser a criação de materiais que possam manipular ondas eletromagnéticas como as que a tecnologia celular 5G usa hoje.

Outras aplicações já conhecidas de materiais quasiperiódicos incluem revestimentos antiaderentes, devido ao seu baixo coeficiente de atrito, revestimentos isolantes contra transferência de calor e, com mais desenvolvimentos, podem servir para o endurecimento de metais e ligas metálicas por meio da incorporação de partículas quasicristalinas.

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