Como a zentropia vai alm da entropia

Materiais Avanados

Com informações da PSU – 22/08/2023

O que Zentropia?

Os sistemas no Universo tendem desordem, de modo que manter o caos sob controle exige a injeo de energia. O conceito chamado de entropia, e exemplos podem ser encontrados em todos os lugares: O derretimento do gelo, a queima de fogueiras, a fervura da gua e virtualmente quase todo o resto.

Agora, os cientistas esto propondo acrescentar um outro nvel entropia, criando a zentropia.

A ideia levar em conta como a entropia pode ocorrer em vrias escalas dentro de um sistema, para ajudar a prever resultados potenciais do sistema quando influenciado por seu ambiente.

O “Z” em zentropia representa a palavra alem zustandssumm, que significa “soma sobre estados” de entropia. Alternativamente, a zentropia pode ser considerada como uma brincadeira com o termo “zen” do budismo, com a zentropia fornecendo uma viso sobre a natureza de um sistema.

Fenmenos cruzados

A zentropia baseada na entropia, a parte da Segunda Lei da Termodinmica que expressa a medida da desordem de um sistema que ocorre durante um perodo de tempo em que no h energia aplicada para manter a ordem. A zentropia considera como a entropia ocorre em vrias escalas dentro de um sistema, comeando pelas medies experimentais da termodinmica, passando pela mecnica estatstica e chegando at a mecnica quntica.

Isso permite estudar fenmenos cruzados, que so as respostas de um sistema a diferentes estmulos externos. Esses fenmenos cruzados ocorrem em praticamente qualquer sistema, em todas as escalas. Sua existncia explica, por exemplo, como um estmulo externo (a queima de um combustvel) impulsiona o fluxo das peas dentro de um motor e como a funcionalidade e a eficcia do motor dependem da fora motriz e da mobilidade das peas que o compem. Mas os exemplos so inmeros.

“Se voc definir um gradiente de temperatura em um material termoeltrico, ele gerar eletricidade e, assim, produzir eletricidade, como a usada nas espaonaves da NASA. Enquanto que, se voc aplicar uma forte corrente eltrica, isso pode fazer com que a temperatura caia, o que pode ser til para refrigerao. Estes so fenmenos cruzados,” explicou o professor Zi-Kui Liu, da Universidade do Estado da Pensilvnia, nos EUA.

Zentropia dos ferroeltricos

A proposta vem acompanhada de uma demonstrao de como este conceito pode oferecer uma maneira de prever o resultado dos experimentos e permitir a descoberta e o design mais eficiente de novos materiais. Trabalhando com materiais ferroeltricos como exemplo, a demonstrao incorpora muita fsica e alguma intuio para fornecer um caminho livre de parmetros para prever como esses materiais avanados se comportam.

Os ferroeltricos tm propriedades nicas, que os tornam valiosos para uma variedade de aplicaes, dos msculos robticos e componentes neuromrficos computao protnica.

Uma dessas propriedades a polarizao eltrica espontnea, que pode ser revertida pela aplicao de um campo eltrico para viabilizar tecnologias que vo desde o ultrassom a impressoras a jato de tinta, memrias RAM com eficincia energtica e giroscpios ferroeltricos em celulares, garantindo vdeos suaves e fotos ntidas.

Para desenvolver essas tecnologias, os pesquisadores precisam entender o comportamento dessa polarizao e sua reverso. Por uma questo de eficincia, os pesquisadores geralmente projetam seus experimentos com base nos resultados previstos. Normalmente, essas previses requerem ajustes, chamados “parmetros de ajuste”, para corresponder de perto s variveis do mundo real, que levam tempo e energia para serem determinadas.

a que entra a zentropia, integrando mecnica quntica de cima para baixo e de baixo para cima para prever medidas experimentais do sistema – sem depender dos parmetros de ajuste.

” claro que, no final das contas, os experimentos que sero o teste final, mas descobrimos que a zentropia pode fornecer uma previso quantitativa que pode reduzir significativamente as possibilidades”, disse Liu. “Voc pode projetar experimentos melhores para explorar materiais ferroeltricos, e o trabalho de pesquisa pode ser muito mais rpido, o que significa que voc economiza tempo, energia e dinheiro e mais eficiente.”

Espao para a intuio

Nos ferroeltricos, a configurao dos dipolos eltricos pode alterar a direo da polarizao. Os pesquisadores aplicaram o conceito de zentropia para prever as transies de fase no titanato de chumbo, o que permitiu a identificao de trs tipos de configuraes possveis no material – esse composto de chumbo est na base de uma nova tecnologia de memrias magnticas.

As previses foram efetivas e concordantes com as observaes feitas durante experimentos relatados na literatura cientfica. A equipe tambm usou dados disponveis publicamente sobre as energias da parede de domnio para prever uma temperatura de transio de 776 Kelvin, mostrando uma concordncia notvel com a temperatura de transio experimental observada, de 763 Kelvin.

A equipe est trabalhando para reduzir essa diferena entre as temperaturas previstas e observadas, mas essas previses to prximas da realidade j podem fornecer um guia seguro para que os cientistas usem sua intuio para conduzir o restante do experimento.

“Isso basicamente significa que voc pode ter algumas intuies e uma abordagem preditiva sobre como um material se comporta micro e macroscopicamente antes de conduzir os experimentos,” disse Liu. “Podemos comear a prever o resultado com preciso antes do experimento.”

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