Físicos encontram cristais giratórios singulares que agem como matéria viva.

Sistemas Rotativos na Natureza e na Tecnologia

Forças “transversais” podem aparecer não apenas em materiais projetados, como certos sólidos magnéticos, mas também em sistemas biológicos. Em um experimento no Massachusetts Institute of Technology (MIT), pesquisadores observaram que grupos de embriões de estrela-do-mar, através de seus movimentos de natação, influenciavam o movimento uns dos outros de tal forma que causavam a rotação em torno um do outro. A função biológica deste movimento coordenado permanece obscura, mas compartilha a mesma característica fundamental encontrada nesses sistemas sintéticos: objetos rotativos interagentes.

O professor Dr. Hartmut Löwen do Instituto de Física Teórica II da Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) explica: “Um sistema de muitos elementos constituintes rotativos exibe um comportamento qualitativamente novo que não é intuitivo: em altas concentrações, esses objetos formam um corpo sólido de rotores, que possui propriedades materiais ‘estranhas’. “

Uma dessas propriedades é conhecida como “elasticidade estranha”. Normalmente, quando um material é puxado, ele se estica na direção da força. Em contraste, um material elástico estranho não se estica – ele torce em vez disso.

Torcendo, Quebrando e Reformando

Esse tipo de sólido “estranho” pode até desintegrar-se por conta própria. Quando os blocos de construção rotativos se esfregam com força suficiente, o sólido pode fragmentar-se em muitos pequenos cristalitos giratórios. Mais surpreendentemente, esses fragmentos podem posteriormente se reassemblar em uma estrutura coerente novamente.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Dr. Zhi-Feng Huang da Wayne State University e pelo professor Löwen desenvolveu um modelo teórico multiescalar para descrever o comportamento desses cristais estranhos. Usando este modelo, eles realizaram simulações que revelaram padrões inesperados e possíveis usos tecnológicos para esses materiais rotativos.

Inverter as Regras do Crescimento de Cristais

A equipe descobriu que grandes cristais governados por interações transversais tendem a se desintegrar em unidades rotativas menores, enquanto cristais menores crescem até atingir um tamanho crítico específico. Este resultado vai contra o crescimento cristalino convencional, onde os materiais normalmente se expandem de maneira constante sob condições favoráveis.

O professor Huang explica: “Descobrimos uma propriedade fundamental da natureza subjacente a esse processo que determina a relação entre o tamanho dos fragmentos críticos e sua velocidade de rotação.”

O coautor do estudo, professor Dr. Raphael Wittkowski do DWI — Leibniz Institute for Interactive Materials e da RWTH Aachen University, adiciona: “Além disso, demonstramos como os defeitos nos cristais apresentam dinâmicas próprias. A formação de tais defeitos pode ser influenciada externamente, permitindo que as propriedades dos cristais sejam especificamente controladas com vistas a aplicações de uso.”

“Nossa teoria abrangente engloba todos os sistemas que evidenciam tais interações transversais. As aplicações concebíveis vão desde a pesquisa de coloides até a biologia”, declara o coautor Dr. Michael te Vrugt, professor assistente da Universidade de Mainz.

O professor Löwen acrescenta: “Os cálculos do modelo indicam um potencial prático concreto. As novas propriedades elásticas desses novos cristais poderiam ser exploradas para inventar novos elementos de comutação técnica, por exemplo.”

Forças Centrais vs. Transversais

Na física, interações como a gravidade e a força de Coulomb são conhecidas como forças centrais porque atuam ao longo da linha que conecta os centros de dois corpos. Essas forças fazem com que os objetos se movam em direção ou para longe um do outro.

Por outro lado, interações transversais são uma classe de forças recentemente descoberta que atuam perpendiculares a esse eixo central. Esse alinhamento incomum faz com que os corpos comecem a rotacionar um ao redor do outro espontaneamente – uma dinâmica que está no coração desses cristais rotativos recentemente descobertos.