Físicos descobrem estranhos cristais giratórios que se comportam como matéria viva

Sistemas Rotativos na Natureza e Tecnologia

As “forças transversais” podem aparecer não apenas em materiais de engenharia, como certos sólidos magnéticos, mas também em sistemas biológicos. Numa experiência no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), investigadores observaram que grupos de embriões de estrelas-do-mar, através dos seus movimentos de natação, influenciavam o movimento uns dos outros de uma forma que os fazia rodar uns em torno dos outros. A função biológica deste movimento coordenado permanece obscura, mas partilha a mesma característica fundamental encontrada nestes sistemas sintéticos: objectos interactivos e rotativos.

Hartmut Löwen, do Instituto de Física Teórica II da Universidade Heinrich Heine 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 possuem propriedades materiais ‘estranhas’.”

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

Torcendo, quebrando e reformando

Esse tipo de sólido “estranho” pode até se desintegrar sozinho. Quando os blocos de construção rotativos se esfregam com força suficiente, o sólido pode fragmentar-se em muitos cristais giratórios menores. Ainda mais surpreendente é que estes fragmentos podem mais tarde reunir-se novamente numa estrutura coerente.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Dr. Zhi-Feng Huang da Wayne State University e pelo professor Löwen desenvolveu um modelo teórico multiescala 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.

Invertendo as regras do crescimento do cristal

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

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

Raphael Wittkowski, co-autor do estudo, do DWI – Instituto Leibniz de Materiais Interativos e da Universidade RWTH Aachen, acrescenta: “Além disso, demonstramos como os defeitos nos cristais exibem dinâmica própria. A formação de tais defeitos pode ser influenciada de fora, o que permite que as propriedades dos cristais sejam controladas especificamente com vista às aplicações de uso. “

“Nossa teoria de longo alcance abrange todos os sistemas que evidenciam tais interações transversais. As aplicações concebíveis variam da pesquisa de colóides à 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 de aplicação concreto. As novas propriedades elásticas desses novos cristais poderiam ser exploradas para inventar novos elementos técnicos de comutação, 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 liga os centros de dois corpos. Essas forças fazem com que os objetos se aproximem ou se afastem uns dos outros.

Em contraste, interações transversais são uma classe recentemente descoberta de forças que atuam perpendicularmente a esse eixo central. Este alinhamento invulgar faz com que os corpos comecem a rodar espontaneamente uns em torno dos outros – uma dinâmica que está no cerne destes cristais rotativos recentemente descobertos.