Um bom exemplo do que as câmaras digitais conseguem fazer hoje é a rapidez com que “abrem” o obturador: nos melhores modelos de consumo, uma fotografia típica pode ser registada com uma exposição de cerca de 1/4 000 de segundo (0,00025 s).
Mas, para apanhar a actividade atómica em pleno movimento, seria necessário um obturador muitíssimo mais veloz do que qualquer câmara convencional.
Um obturador ao nível de um picosegundo para ver a desordem dinâmica
Foi precisamente com esse objectivo que, em 2023, uma equipa de cientistas apresentou uma forma de obter uma “velocidade do obturador” de apenas um trilionésimo de segundo (1/1 000 000 000 000 s) - ou seja, um picosegundo. Na prática, isto equivale a ser cerca de 250 milhões de vezes mais rápido do que as câmaras digitais referidas acima.
Esta rapidez abre a porta a observar um fenómeno particularmente importante na ciência dos materiais: a desordem dinâmica.
Veja o vídeo abaixo para um resumo do que foi descoberto:
De forma simples, a desordem dinâmica acontece quando grupos de átomos dentro de um material se deslocam e “dançam” segundo padrões específicos durante um certo intervalo de tempo - por exemplo, desencadeados por uma vibração ou por uma variação de temperatura. Apesar de ainda não ser um fenómeno totalmente compreendido, sabe-se que é determinante para as propriedades e para as reacções dos materiais.
O que é a vsPDF (função de distribuição de pares atómicos com obturador variável)
Para estudar esta realidade com muito mais detalhe, os investigadores desenvolveram um sistema a que chamaram função de distribuição de pares atómicos com obturador variável, abreviada como vsPDF.
Segundo o cientista de materiais Simon Billinge, da Universidade de Columbia, em Nova Iorque, é esta nova abordagem que permite, finalmente, observar um lado dos materiais que estava praticamente fora de alcance:
“Só com esta nova ferramenta vsPDF conseguimos realmente ver esta faceta dos materiais.”
E acrescenta:
“Com esta técnica, vamos poder observar um material e perceber que átomos estão a participar na dança e quais ficam de fora.”
Porque é que uma “velocidade de obturador” mais rápida importa
Quanto mais rápida for a velocidade do obturador, mais preciso é o instante de tempo que se consegue isolar. Isto é crucial quando o alvo se move depressa - como acontece com átomos em agitação contínua.
Numa analogia comum, se fotografar um jogo de futebol com uma velocidade de obturador baixa, é provável que os jogadores fiquem arrastados e desfocados na imagem. À escala atómica, esse “arrastamento” impede distinguir padrões subtis de movimento.
Como a vsPDF consegue ser tão rápida: neutrões em vez de fotografia
A vsPDF não usa fotografia no sentido tradicional. Em vez disso, recorre a neutrões para medir a posição dos átomos.
O princípio base é acompanhar como os neutrões interagem com o material - como entram, atravessam e são desviados - e, a partir desse comportamento, inferir a disposição dos átomos no interior. Nesta abordagem, as alterações nos níveis de energia dos neutrões funcionam como o equivalente a ajustar a velocidade do obturador: ao variar essa “janela temporal”, é possível seleccionar que movimentos atómicos ficam visíveis na medição.
Um aspecto particularmente valioso é que não se trata apenas de alcançar o recorde do trilionésimo de segundo. As variações controladas da velocidade do obturador são essenciais para separar dois efeitos que podem parecer semelhantes, mas não são.
Desordem dinâmica vs. desordem estática: o que a vsPDF ajuda a distinguir
As diferenças de velocidade do obturador são decisivas para identificar a desordem dinâmica e distingui-la da desordem estática.
A desordem estática corresponde ao “ruído” de fundo: aquela agitação local, essencialmente no mesmo sítio, de átomos que não contribui para melhorar a função do material. Já a desordem dinâmica envolve movimentos colectivos e temporais que podem estar directamente ligados a propriedades úteis.
Nas palavras de Billinge:
“Dá-nos uma forma completamente nova de destrinçar a complexidade do que se passa em materiais complexos - efeitos escondidos que podem potenciar drasticamente as suas propriedades.”
O caso de estudo: telureto de germânio (GeTe) observado com a câmara de neutrões
Para demonstrar a capacidade do método, os investigadores apontaram a sua “câmara” de neutrões para um material chamado telureto de germânio (GeTe). Devido às suas características, o GeTe é muito utilizado para converter calor desperdiçado em electricidade ou, no sentido inverso, para converter electricidade em arrefecimento.
As medições indicaram que, em média, o GeTe mantém uma estrutura cristalina em todas as temperaturas analisadas. No entanto, a temperaturas mais elevadas, o material passou a evidenciar mais desordem dinâmica: os átomos transferem movimento para energia térmica seguindo um gradiente que coincide com a direcção da polarização eléctrica espontânea do material.
Porque isto é relevante para termoelectricidade e tecnologia
Compreender melhor estas estruturas físicas ajuda a explicar, com maior rigor, como funcionam os materiais termoeléctricos. Esse avanço, por sua vez, facilita o desenvolvimento de materiais e equipamentos mais eficientes - incluindo instrumentos capazes de alimentar veículos exploradores de Marte quando a luz solar não está disponível.
Além disso, ao construir modelos com base nas observações registadas por esta nova câmara, torna-se possível refinar a compreensão científica dos mecanismos internos destes materiais e dos processos que governam o seu desempenho.
Um passo promissor, mas ainda não é o ponto final
Apesar do potencial, ainda existe trabalho substancial antes de a vsPDF se tornar um método de ensaio de uso generalizado. É necessário consolidar procedimentos, validar resultados em diferentes classes de materiais e tornar o processamento e interpretação dos dados mais acessíveis.
Também é importante lembrar que medições com neutrões dependem, em muitos casos, de infra-estruturas especializadas (fontes de neutrões e instrumentação avançada), o que pode limitar a disponibilidade imediata da técnica. Por outro lado, à medida que os protocolos se padronizam e o software de análise evolui, a adopção tende a acelerar.
Os autores resumiram a expectativa no artigo científico:
“Antecipamos que a técnica vsPDF aqui descrita se torne uma ferramenta padrão para reconciliar estruturas locais e médias em materiais para energia.”
A investigação foi publicada na revista Materiais da Natureza.
Uma versão anterior deste artigo foi publicada em março de 2023.
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