O vidro pode parecer um material comum que encontramos todos os dias, mas a física em jogo lá dentro é, na verdade, bem complexa e ainda não completamente compreendida pelos cientistas. Alguns painéis de vidro, como os vitrais em muitos edifícios medievais, permaneceram rígidos por séculos, pois suas moléculas constituintes estão perpetuamente congeladas em um estado de desordem.

Da mesma forma, líquidos super-resfriados não são bem sólidos, no sentido de que suas partículas fundamentais não se prendem a um padrão de rede com ordem de longo alcance , mas também não são líquidos comuns, porque as partículas também não têm energia para se mover livremente. Mais pesquisas são necessárias para revelar a física desses sistemas complexos.

Em um estudo publicado na Nature Materials, pesquisadores do Institute of Industrial Science, da Universidade de Tóquio, usaram simulações avançadas de computador para modelar o comportamento de partículas fundamentais em um líquido vítreo super-resfriado. Sua abordagem foi baseada no conceito de energia de ativação de Arrhenius, que é a barreira de energia que um processo deve superar para prosseguir.

Um exemplo é a energia necessária para rearranjar partículas individuais em um material desordenado. "Comportamento de Arrhenius" significa que um processo precisa depender de flutuações térmicas aleatórias, e a taxa diminui exponencialmente à medida que a barreira de energia fica maior. No entanto, situações que exigem rearranjo cooperativo de partículas podem ser ainda mais raras, especialmente em baixas temperaturas. Às vezes, são chamadas de relações super-Arrhenius.

O novo estudo foi o primeiro a demonstrar a relação entre a ordem estrutural e o comportamento dinâmico dos líquidos em nível microscópico .

A equipe demonstrou que um processo que eles chamam de "T1", que mantém a ordem formada dentro do líquido , é a chave para entender a dinâmica cooperativa.

Se um processo T1 interrompe a ordem estrutural local, ele deve envolver o movimento independente de partículas, o que resulta em comportamento normal do tipo Arrhenius. Por outro lado, se o rearranjo T1 mantém a ordem local de forma cooperativa, sua influência se espalha para fora, levando ao comportamento super-Arrhenius .

"Nossa pesquisa nos oferece uma nova perspectiva microscópica sobre a origem há muito procurada da cooperatividade dinâmica em substâncias formadoras de vidro. Prevemos que essas descobertas contribuirão para um melhor controle da dinâmica do material, levando a um design de material mais eficiente e processos aprimorados de fabricação de vidro", diz o autor sênior Hajime Tanaka. Isso pode incluir vidro mais forte e durável para smartphones e outros aplicativos.