{"id":10788,"date":"2019-11-13T19:36:39","date_gmt":"2019-11-13T22:36:39","guid":{"rendered":"http:\/\/scienceblogs.com.br\/hypercubic\/?p=10788"},"modified":"2019-11-13T19:36:39","modified_gmt":"2019-11-13T22:36:39","slug":"esquenta-e-encolhe-como-assim","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/hypercubic\/2019\/11\/esquenta-e-encolhe-como-assim\/","title":{"rendered":"Esquenta e encolhe? Como assim?"},"content":{"rendered":"
\"scandium
Cristais como este, de trifluoreto de esc\u00e2ndio, apresentam uma propriedade incomum e encolhem ao ser aquecidos. Por qu\u00ea?<\/figcaption><\/figure>\n

Embora sejam incomuns, existem materiais que encolhem ao ser aquecidos. Ap\u00f3s d\u00e9cadas de confus\u00e3o, cientistas (e um estagi\u00e1rio) encontraram o que leva a essa “expans\u00e3o t\u00e9rmica negativa”.<\/h4>\n

Quem passou por uma ponte de concreto em larga escala j\u00e1 deve ter notado a exist\u00eancia de alguns v\u00e3os entre as pe\u00e7as que a comp\u00f5em. Ao contr\u00e1rio do que pode parecer, isso \u00e9 sinal de uma obra bem-feita, pois leva em conta um fen\u00f4meno bastante comum entre materiais s\u00f3lidos: a expans\u00e3o t\u00e9rmica. Exposto a um sol de rachar, um viaduto esquenta e o aumento da temperatura nada mais \u00e9 do que a acelera\u00e7\u00e3o de sua estrutura molecular. Por mais s\u00f3lida que pare\u00e7a a ponte, seus componentes submicrosc\u00f3picos est\u00e3o sempre vibrando. Quanto mais vibram, mais espa\u00e7o ocupam. Assim, tal como um term\u00f4metro aquecido, uma ponte sob o morma\u00e7o de um dia de ver\u00e3o tamb\u00e9m aumenta de tamanho\u00a0\u2014 e \u00e9 para acomodar essa distor\u00e7\u00e3o t\u00e9rmica que existem as juntas de dilata\u00e7\u00e3o, aqueles espa\u00e7os entre cada parte de uma ponte ou viaduto.<\/p>\n

De modo geral, tudo que se aquece tende a se expandir: do merc\u00fario do term\u00f4metro \u00e0 \u00e1gua dos oceanos terrestres (\u00e9 por isso, em parte, que o aquecimento global leva ao aumento do n\u00edvel dos mares). No entanto, toda regra tem sua exce\u00e7\u00e3o e alguns materiais apresentam a chamada “expans\u00e3o t\u00e9rmica negativa”: quando expostos a temperaturas elevadas, eles se encolhem.<\/p>\n

Essa contra\u00e7\u00e3o t\u00e9rmica costuma ser mais comum em materiais flex\u00edveis, como os pol\u00edmeros que formam os pl\u00e1sticos e borrachas. Nesse caso, imagine uma corda de viol\u00e3o: ao ser tocada ela vibra perpendicularmente, mas seu interior se mant\u00e9m firme gra\u00e7as \u00e0s pontas ancoradas. Coisa parecida aparece com os materiais emborrachados, que, quando aquecidos, acabam tendo suas fibras retorcidas como cordas de viol\u00e3o estouradas.<\/p>\n

\"A.
\u00c9 por isso que, quando expostas a altas temperaturas, as garrafas pl\u00e1sticas se encolhem e se retorcem antes de derreter:\u00a0as liga\u00e7\u00f5es de seus pol\u00edmeros estouram feito uma corda. [Imagem: A. Foncubierta (Flickr)]<\/figcaption><\/figure>\n

Mesmo que n\u00e3o sejam formados por fibras el\u00e1sticas, alguns cristais tamb\u00e9m reagem ao calor com contra\u00e7\u00e3o. Por qu\u00ea? Esse comportamento incomum para um s\u00f3lido deixou f\u00edsicos e cientistas dos materiais confusos nos \u00faltimos anos. Um desses “materiais problem\u00e1ticos” \u00e9 um cristal conhecido como trifluoreto de esc\u00e2ndio (ScF3<\/sub>). Sua estrutura est\u00e1 longe de ser um pol\u00edmero: como muitos cristais, ele \u00e9 formado por uma estrutura c\u00fabica. Nesse caso, ao ser aquecidos, seus \u00e1tomos deveriam sempre manter a mesma orienta\u00e7\u00e3o relativa.<\/p>\n

Esse enigma t\u00e9rmico foi investigado por equipes do Laborat\u00f3rio Nacional de Brookhaven (ligado ao Departamento de Energia dos EUA) e do Instituto de Tecnologia da Calif\u00f3rnia, o Caltech. Liderados por Igor Zaliznyak, de Brookhaven, os cientistas tiveram que come\u00e7ar por determinar com exatid\u00e3o a estrutura cristalina do ScF3<\/sub>. Normalmente, bastaria uma espectrografia com raios-X para isso, mas o problema \u00e9 que o fl\u00faor \u00e9 invis\u00edvel nesse tipo de procedimento. Assim, foi necess\u00e1rio recorrer ao SNS, um acelerador de n\u00eautrons do Caltech. Conforme quicam entre as liga\u00e7\u00f5es moleculares do cristal, os n\u00eautrons revelam sua estrutura.<\/p>\n

Foi o\u00a0 estagi\u00e1rio<\/h4>\n

Zaliznyak e seus colaboradores sabiam que isso n\u00e3o bastava: tamb\u00e9m era necess\u00e1rio fazer as mesmas medi\u00e7\u00f5es em diferentes temperaturas, para verificar como a estrutura c\u00fabica do ScF3<\/sub> era deformada pelo calor. An\u00e1lises computacionais indicaram as in\u00fameras deforma\u00e7\u00f5es poss\u00edveis mas a determina\u00e7\u00e3o final ficou nas m\u00e3os de David Wendt.<\/p>\n

Na \u00e9poca, Wendt estava no segundo ano do Ensino M\u00e9dio e era estagi\u00e1rio no laborat\u00f3rio de Zaliznyak como parte de um programa de inicia\u00e7\u00e3o cient\u00edfica entre col\u00e9gios e o Laborat\u00f3rio de Brookhaven. Atualmente na Stanford University, Wendt trabalhou nesse projeto de pesquisa durante todo o seu est\u00e1gio, enquanto ainda terminava o colegial. Como conta Zaliznyak ao Phys.org<\/em><\/a>, o estagi\u00e1rio<\/p>\n

\n

basicamente reduziu os dados \u00e0 forma que pod\u00edamos analisar usando nossos algoritmos, ajustou os dados, comp\u00f4s um modelo para as posi\u00e7\u00f5es dos \u00e1tomos de fl\u00faor e fez a an\u00e1lise estat\u00edstica para comparar os resultados experimentais com o modelo. A quantidade de trabalho que ele fez \u00e9 igual \u00e0 que um bom p\u00f3s-doc faria!<\/p>\n<\/blockquote>\n

Mesmo assim, David Wendt n\u00e3o terminou a pesquisa com um diploma de p\u00f3s-doutorado\u00a0\u2014 sua recompensa foi ser reconhecido como primeiro autor do artigo (de acesso aberto) publicado recentemente na Science Advances<\/em>.<\/p>\n

O que esse trabalho de estagi\u00e1rio revelou foi um tanto dentro do esperado: as liga\u00e7\u00f5es entre o esc\u00e2ndio e o fl\u00faor n\u00e3o mudam muito com o aquecimento. A expans\u00e3o do\u00a0trifluoreto de esc\u00e2ndio \u00e9 apenas ligeira, consistente com a que se observa na maioria dos s\u00f3lidos. Ent\u00e3o o que muda e causa a contra\u00e7\u00e3o?<\/p>\n

O que muda \u00e9 a configura\u00e7\u00e3o dos \u00e1tomos de fl\u00faor, que se comportaram de maneira oposta ao esperado: em vez de manter dist\u00e2ncias fixas entre si, as posi\u00e7\u00f5es relativas dos \u00e1tomos dessa subst\u00e2ncia variavam bastante com o aumento da temperatura. Como os \u00e1tomos de fl\u00faor n\u00e3o estavam rigidamente ancorados, sua movimenta\u00e7\u00e3o poderia ser explicada por um modelo mais antigo, desenvolvido por Albert Einstein, que considera cada \u00e1tomo separadamente. Zaliznyak explica: “como cada \u00e1tomo de esc\u00e2ndio tem uma liga\u00e7\u00e3o r\u00edgida com o fl\u00faor, as ‘cadeias’ de esc\u00e2ndio-fl\u00faor que formam os lados do cubo cristalino (com o esc\u00e2ndio nos cantos) age de modo similar \u00e0s partes r\u00edgidas de um pol\u00edmero.”<\/p>\n

\"The
Nesta anima\u00e7\u00e3o, vemos uma vers\u00e3o simplificada do que acontece com os cristais de ScF3 aquecidos: os \u00e1tomos de fl\u00faor (azuis) se agitam mais do que os de esc\u00e2ndio (verdes). O resultado macrosc\u00f3pico \u00e9 o encolhimento paradoxal do cristal aquecido. [Imagem: Brookhaven National Laboratory]<\/figcaption><\/figure>\n

Em outras palavras, os \u00e1tomos de fl\u00faor no meio de cada lado da estrutura cristalina funciona como uma fibra el\u00e1stica ancorada pelos \u00e1tomos de fl\u00faor vizinhos. Com o aquecimento, o F vibra mais solto que o Sc, puxando os cantos na dire\u00e7\u00e3o do centro do cubo da estrutura. Assim, ao ser aquecido, um cristal de ScF3<\/sub> acaba encolhendo em vez de dilatar.<\/p>\n

Essa propriedade incomum do ScF3<\/sub> pode ter aplica\u00e7\u00f5es \u00fateis nas \u00e1reas m\u00e9dica e tecnol\u00f3gica. Na medicina, um material com comportamento similar seria interessante como material de obtura\u00e7\u00e3o\u00a0\u2014 ao contr\u00e1rio do metal usado normalmente como tapa-buracos, o dente pode se contrair ao tomar bebidas quentes, como um caf\u00e9. Semicondutores e linhas submarinas de fibras \u00f3pticas tamb\u00e9m podem precisar de isolantes com propriedades t\u00e9rmicas que acompanhem suas partes funcionais, impedindo problemas de transmiss\u00e3o.<\/p>\n

Al\u00e9m dessas aplica\u00e7\u00f5es mais banais, Zaliznyak tamb\u00e9m acredita que uma arquitetura similar \u00e0 do trifluoreto de esc\u00e2ndio\u00a0poderia estar presente em supercondutores \u00e0 base de ferro e \u00f3xido de cobre. Nesse caso, a estrutura cristalina semi-flex\u00edvel explicaria como esses materiais conseguem transmitir correntes el\u00e9tricas sem resist\u00eancia.<\/p>\n

De dentes menos doloridos \u00e0 supercondutividade, tudo gra\u00e7as aos esfor\u00e7os de um estagi\u00e1rio. Lembre-se disso na pr\u00f3xima vez que relegar o estagi\u00e1rio a servir cafezinho.<\/p>\n

Refer\u00eancia<\/h4>\n

\"rb2_large_gray25\"<\/a>WENDT, D. et. al.<\/em> Entropic elasticity and negative thermal expansion in a simple cubic crystal<\/strong> [Elasticidade entr\u00f3pica e expans\u00e3o termal negativa num cristal c\u00fabico simples<\/em><\/strong>]. Science Advances<\/em>\u00a0, vol. 5, n. 11, 01\/11\/2019. DOI: 10.1126\/sciadv.aay2748<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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