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Os sistemas no Universo tendem à desordem, com apenas energia aplicada mantendo o caos sob controle. O conceito é chamado de entropia, e exemplos podem ser encontrados em todos os lugares: derretimento do gelo, queima de fogueiras, fervura da água. A teoria zentropia, no entanto, acrescenta outro nível à mistura.
Uma equipe liderada por Zi-Kui Liu, professora Dorothy Pate Enright de Ciência e Engenharia de Materiais da Penn State, desenvolveu a teoria. O “Z” em zentropia representa a palavra alemã Zustandssumm, que significa “soma sobre estados” de entropia. Alternativamente, disse Liu, zentropia pode ser considerada uma brincadeira com o termo “zen” do budismo e entropia para obter uma visão sobre o natureza de um sistema.A idéia, disse Liu, é considerar como a entropia pode ocorrer em várias escalas dentro de um sistema para ajudar a prever resultados potenciais do sistema quando influenciado por seus arredores.
Liu e sua equipe de pesquisa publicaram seu último artigo sobre o conceito, fornecendo evidências de que a abordagem pode oferecer uma maneira de prever o resultado de experimentos e permitir a descoberta e o design mais eficientes de novos materiais ferroelétricos. O trabalho, que incorpora alguma intuição e muita física para fornecer um caminho livre de parâmetros para prever como os materiais avançados se comportam, foi publicado na Scripta Materialia.
Os ferroelétricos têm propriedades únicas, tornando-os valiosos para uma variedade de aplicações, tanto agora quanto no desenvolvimento de materiais, disseram os pesquisadores. Uma dessas propriedades é a polarização elétrica espontânea que pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico, que facilita tecnologias que vão desde ultrassom a impressoras a jato de tinta, RAM com eficiência energética para computadores e giroscópios ferroelétricos em smartphones que permitem vídeos suaves e fotos nítidas .
Para desenvolver essas tecnologias, os pesquisadores precisam experimentar para entender o comportamento dessa polarização e sua reversão. Por uma questão de eficiência, os pesquisadores geralmente projetam seus experimentos com base nos resultados previstos. Normalmente, essas previsões requerem ajustes chamados “parâmetros de ajuste” para corresponder de perto às variáveis do mundo real, que levam tempo e energia para serem determinadas. Mas o zentropy pode integrar mecânica quântica de cima para baixo e de baixo para cima para prever medidas experimentais do sistema sem tais ajustes.
“É claro que, no final das contas, os experimentos são o teste final, mas descobrimos que a zentropia pode fornecer uma previsão quantitativa que pode reduzir significativamente as possibilidades”, disse Liu. “Você pode projetar experimentos melhores para explorar materiais ferroelétricos e o trabalho de pesquisa pode ser muito mais rápido, o que significa que você economiza tempo, energia e dinheiro e é mais eficiente.”
Embora Liu e sua equipe tenham aplicado com sucesso a teoria zentropia para prever as propriedades magnéticas de uma variedade de materiais para vários fenômenos, descobrir como aplicá-la a materiais ferroelétricos tem sido complicado. No estudo atual, os pesquisadores relataram ter encontrado um método para aplicar a teoria zentropia aos ferroelétricos, com foco no titanato de chumbo. Como todos os ferroelétricos, o titanato de chumbo possui polarização elétrica que pode ser invertida quando campos elétricos externos, mudanças de temperatura ou estresse mecânico são aplicados.
À medida que um campo elétrico reverte a polarização elétrica, o sistema transita de ordenado em uma direção para desordenado e depois para ordenado novamente conforme o sistema se acomoda na nova direção. No entanto, esta ferroeletricidade ocorre apenas abaixo de uma temperatura crítica única para cada material ferroelétrico. Acima dessa temperatura, a ferroeletricidade – a capacidade de inverter a polarização – desaparece e a paraeletricidade – a capacidade de se tornar polarizada – surge. A mudança é chamada de transição de fase. A medição dessas temperaturas pode indicar informações críticas sobre o resultado de vários experimentos, disse Liu. No entanto, prever a transição de fase antes de um experimento é quase impossível.
“Nenhuma teoria e método pode prever com precisão a energia livre dos materiais ferroelétricos e as transições de fase anteriores aos experimentos”, disse Liu. “A melhor previsão da temperatura de transição está a mais de 100 graus de distância da temperatura real do experimento”.
Essa discrepância surge devido às incertezas desconhecidas nos modelos, bem como aos parâmetros de ajuste que não podem considerar todas as informações importantes que afetam as medições reais. Por exemplo, uma teoria frequentemente usada caracteriza características macroscópicas de ferroeletricidade e paraeletricidade, mas não considera características microscópicas como paredes de domínio dinâmico – limites entre regiões com características de polarização distintas dentro do material. Essas configurações são blocos de construção do sistema e flutuam significativamente em relação à temperatura e ao campo elétrico.
Nos ferroelétricos, a configuração dos dipolos elétricos no material pode alterar a direção da polarização. Os pesquisadores aplicaram zentropia para prever as transições de fase no titanato de chumbo, incluindo a identificação de três tipos de configurações possíveis no material.
As previsões feitas pelos pesquisadores foram efetivas e concordantes com as observações feitas durante os experimentos relatados na literatura científica, segundo Liu. Eles usaram dados publicamente disponíveis sobre as energias da parede de domínio para prever uma temperatura de transição de 776 graus Kelvin, mostrando uma concordância notável com a temperatura de transição experimental observada de 763 graus Kelvin. Liu disse que a equipe está trabalhando para reduzir ainda mais a diferença entre as temperaturas previstas e observadas com melhores previsões das energias da parede de domínio em função da temperatura.
Essa capacidade de prever a temperatura de transição tão próxima das medições reais pode fornecer informações valiosas sobre a física do material ferroelétrico – e ajudar os cientistas a melhorar seus projetos experimentais, disse Liu.
“Isso basicamente significa que você pode ter algumas intuições e uma abordagem preditiva sobre como um material se comporta micro e macroscopicamente antes de conduzir os experimentos”, disse Liu. “Podemos começar a prever o resultado com precisão antes do experimento.”
Junto com Liu, outros pesquisadores do estudo da Penn State incluem Shun-Li Shang, professor pesquisador de ciência e engenharia de materiais; Yi Wang, professor pesquisador de ciência e engenharia de materiais; e Jinglian Du, pesquisador em ciência e engenharia de materiais na época do estudo.
O programa de Ciências Energéticas Básicas do Departamento de Energia apoiou esta pesquisa.
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