O universo tende naturalmente para a desordem, e somente através de uma entrada de energia podemos combater esse caos inevitável. Essa ideia está encapsulada no conceito de entropia, que é evidente em fenômenos cotidianos como o derretimento do gelo, a queima do fogo e a fervura da água. Contudo, a teoria da “entropia” introduz outra camada de significado a esta compreensão.
Esta teoria foi proposta por uma equipe liderada por Zikui Liu, ilustre professora Dorothy Pate Enright do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Penn State. O “Z” em zentropia vem do termo alemão “Zustandssumm”, que significa “soma dos estados” de entropia.
Liu disse que “zentropia” também pode ser vista como um homófono do termo budista “Zen” e entropia, que é usado para revelar a natureza de um sistema. A ideia, disse Liu, é considerar como a entropia ocorre em múltiplas escalas dentro de um sistema para ajudar a prever resultados potenciais quando o sistema é afetado pelo ambiente circundante.
Liu e sua equipe de pesquisa publicaram seu último artigo sobre esse conceito, demonstrando que essa abordagem pode fornecer uma maneira de prever resultados experimentais e permitir a descoberta e o projeto mais eficientes de novos materiais ferroelétricos. O trabalho, publicado na ScriptaMaterialia, combina alguma intuição com uma riqueza de conhecimento de física para fornecer uma abordagem livre de parâmetros para prever o comportamento de materiais avançados.
Os ferroelétricos têm propriedades únicas que os tornam valiosos em uma variedade de aplicações, tanto atualmente quanto em desenvolvimento, dizem os pesquisadores. Uma dessas propriedades é a polarização elétrica espontânea que pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico, o que permitiu o desenvolvimento de tecnologias que vão desde ultrassom a impressoras jato de tinta e RAM com eficiência energética em computadores até giroscópios acionados ferroeletricamente em smartphones, permitindo vídeos suaves e fotos nítidas.
Para desenvolver essas técnicas, os pesquisadores precisam compreender experimentalmente o comportamento dessa polarização e sua reversão. Para melhorar a eficiência, os pesquisadores geralmente projetam experimentos com base nos resultados previstos. Normalmente, essas previsões exigem ajustes chamados “parâmetros de ajuste” para corresponder melhor às variáveis do mundo real, cuja determinação leva tempo e esforço. Mas a entropia Zen pode integrar a mecânica estatística de cima para baixo e a mecânica quântica de baixo para cima para prever medições experimentais de um sistema sem a necessidade de tais ajustes.
“É claro que, no final, os experimentos são o teste final, mas descobrimos que a zentropia pode fornecer previsões quantitativas que restringem bastante o leque de possibilidades”, disse Liu. "Podemos projetar experimentos melhores para explorar materiais ferroelétricos, e os esforços de pesquisa progredirão mais rapidamente, o que significa que tempo, energia e dinheiro podem ser economizados e mais eficientes."
Embora Liu e sua equipe tenham aplicado com sucesso a teoria da entropia Zen para prever as propriedades magnéticas de uma variedade de materiais sob vários fenômenos, descobrir como aplicá-la a materiais ferroelétricos tem sido um problema espinhoso. No estudo atual, os pesquisadores relatam que encontraram uma maneira de aplicar a teoria da entropia Zen a materiais ferroelétricos, com foco no titanato de chumbo. Como todos os materiais ferroelétricos, o titanato de chumbo possui uma polaridade elétrica que pode ser invertida quando um campo elétrico externo, mudança de temperatura ou estresse mecânico é aplicado.
Quando um campo elétrico inverte a polarização elétrica, o sistema muda da ordem para a desordem em uma direção e depois volta à ordem novamente quando o sistema se estabiliza na nova direção. No entanto, esta ferroeletricidade só ocorre abaixo de uma temperatura crítica única para cada material ferroelétrico. Acima dessa temperatura, a ferroeletricidade - a capacidade de reverter a polarização - desaparece e a paraeletricidade - a capacidade de polarizar - aparece. Essa mudança é chamada de mudança de fase. As medições dessas temperaturas podem revelar informações importantes sobre vários resultados experimentais, disse Liu. No entanto, prever transições de fase antes dos experimentos é quase impossível.
"Não existe nenhuma teoria ou método que possa prever com precisão a energia livre e a transição de fase dos materiais ferroelétricos antes dos experimentos", disse Liu. "A melhor previsão da temperatura de transição diferiu da temperatura real no experimento em mais de 100 graus."
A razão para esta diferença são as incertezas desconhecidas no modelo e a incapacidade dos parâmetros de ajuste de levar em conta todas as informações relevantes que afetam as medições reais. Por exemplo, uma teoria comumente usada descreve as características macroscópicas da ferroeletricidade e da quaseeletricidade, mas não leva em consideração características microscópicas, como paredes de domínio dinâmico - os limites entre regiões com diferentes características de polarização dentro do material. Essas configurações são os blocos de construção do sistema e flutuam significativamente com as mudanças na temperatura e no campo elétrico.
Na ferroelétrica, a configuração dos dipolos elétricos no material muda a direção da polarização. Os pesquisadores usaram a entropia Zen para prever as transições de fase do titanato de chumbo, incluindo a identificação de três configurações possíveis no material.
As previsões dos pesquisadores são válidas e consistentes com observações experimentais relatadas na literatura científica. Eles usaram dados de energia de parede de domínio disponíveis publicamente para prever uma temperatura de transição de 776 Kelvin, o que concorda bem com a temperatura de transição experimental observada de 763 Kelvin. Liu disse que a equipe de pesquisa está trabalhando para diminuir ainda mais a lacuna entre as temperaturas previstas e observadas, prevendo melhor a energia da parede do domínio em função da temperatura.
Liu disse que esta capacidade de prever a temperatura de transição tão próxima das medições reais pode fornecer informações valiosas sobre as propriedades físicas dos materiais ferroelétricos e ajudar os cientistas a projetar melhor os experimentos: "Isso basicamente significa que você pode ter alguma intuição e métodos de previsão sobre o comportamento microscópico e macroscópico do material antes de conduzir o experimento. Podemos começar a prever com precisão os resultados antes do experimento. "
Outros pesquisadores da Penn State que trabalharam com Liu no estudo incluem Shunli Shang, professor pesquisador de ciência e engenharia de materiais, Yi Wang, professor pesquisador de ciência e engenharia de materiais, e Jinglian Du, pesquisador de ciência e engenharia de materiais na época do estudo.