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Uma nova operação de simetria, desenvolvido por pesquisadores na Penn State, tem o potencial de acelerar a busca por novos materiais avançados, que variam de aços mais resistentes a novos tipos de materiais electrónicos, magnéticos e térmicos. Com mais desenvolvimentos, esta técnica também poderá ter um impacto no campo do design de materiais computacionais.

'Nas ciências da física, realizar medidas pode ser consumidor de tempo e, assim sendo, não queremos fazer medidas desnecessárias,' diz Venkat Gopalan, professor de ciência de materiais e engenharia. 'Isto é verdade para qualquer propriedade de materiais - mecânica, eléctrica, óptica, magnética, térmica ou outra qualquer. Sabendo que o grupo de simetria de um material pode reduzir enormemente o número de medidas que tenha de fazer.'

A simetria é difundida por todo o universo físico e está na base das leis básicas da física. Gopalan dá uma definição simples, mas cientificamente precisa; "A simetria é quando, fazermos algo parece-se a nada fazer.'

Um círculo tem uma simetria perfeita, porque se o girar num qualquer número de graus, terá a mesma aparência. Da mesma forma, a rotação de um hexágono por sessenta graus deixa-o exactamente na mesma, mas rodando-a numa quantidade diferente, não o faz. Qualquer coisa que pode ser feito que deixa um objecto com a mesma aparência, é uma operação de simetria.

Nos cristais, os átomos existem em padrões simétricos, como um cubo de sal ou um cristal de açucar ou quartzo. Grupos simétricos, dizem aos cientistas em quantas maneiras diferentes os átomos se podem colocar para repetir padrões.

Se souberem em que grupo simétrico se coloca um material, já se saberá muito acerca das propriedades - mecânica, térmica, eléctrica e por aí em diante - que os materiais terão.

Há precisamente 230 grupos que explicam como os átomos podem ser arranjados no espaço. Estas são 'caixas' de simetria em que um material irá encaixar. Se os cientistas estão à procura de um material com certas propriedades, como a de ser electricamente polarizado, podem procurar materiais meramente nessa 'caixa' de simetria e ignorar todas as 'caixas' que não tem qualquer possibilidade de conter materiais polarizados.

Outra operação de simetria, denominada reversão temporal, acrescenta ao número de 'caixas' de simetria disponíveis, e aplica-se especificamente aos materiais magnéticos. Isto diz simplesmente que, se o tempo anda para trás, um material irá simplesmente parecer igual ou não.

Num artigo publicado on-line no jornal Nature Communications, Gopalan e o seu co-autor Brian VanLeeuwen falam de um novo conjunto de 'caixas' chamada de, grupos de simetria distorcida, que descreve o que acontece quando sistemas físicos são afectados e perturbados por 'stresses', campos electromagnéticos ou outras forças, e mudam de um estado para o outro.

'As distorções são o mais comum dos fenómenos na natureza,' refere Goplan. 'Uma reacção química é uma distorção, difusão é distorção, e uma mudança das posições atómicas e nuvens electrónicas num material é distorção. A simetria que Brian e eu descobrimos é como gravar um filme de átomos e ver a sua simetria, considerando que a maioria das operações de simetria está a olhar para um 'frame' de um filme.'

'Mostramos que há uma enorme família de problemas a que isto se irá aplicar, tais como transições de fase - por exemplo, água a mudar de um líquido para um sólido ou vibrações em moléculas ou sólidos. Verá simetrias que não via com facilidade anteriormente. Então podemos reduzir rapidamente o numero de experimentações que temos de correr ou o numero de computações que precisam ser feitas para saber como um material irá mudar sob o efeito de distorções.'

As operações VanLeeuwen e Gopalan's encontram-se já a ser aplicadas por colegas na Penn State que trabalham em design de materiais computacional. Um grupo usa a técnica para compreender e modelar a difusão de átomos de hidrogénio no ferro. Outro grupo está a incorporá-lo num poderoso computador chamado Quantum Espresso, usado por modeladores de todo o mundo.

'A primeira questão que queremos colocar quando um novo material é descoberto, é de como os átomos são colocados no espaço,' diz Ismaila Dabo, professor assistente de ciência de materiais e engenharia, e um dos fomentadores Quantum Espresso.

'As simetrias são uma língua poderosa para explicar tais arranjos atómicos e as suas distorções perto do equilíbrio. Mas quando as distorções são tão grandes que afastam os átomos para longe do equilíbrio, não havia um caminho claro de descrever as transformações dos materiais, tornando difícil classificar fenómenos críticos como transições de fase ou propostas de limites granulares. Este trabalho dá uma admiravel, elegante, e muito necessária resposta, a tal questão.'

As proteínas são cristais complexos que mudam quando uma molécula de droga se liga a ela. Mas para as drogas actuais é algo muito computacional e experimentalismo intensivo. Gopalan sente que esta técnica pode algum dia ser útil na redução de experiências necessárias.

'A biologia é sobretudo acerca de distorções de biomoléculas no sentido de realizar uma função biológica,' refere.'Isto será conhecimento que valerá a pena para eles. Algum dia, isto será muito útil, mas a biologia á muito complexa, envolvendo centenas de átomos numa única célula. Nós ainda não estamos bem certos que estas ideias possam criar impacto aí, mas planeamos tentar. O meu objectivo é levar isto e aplicar a uma variedade de problemas mais simples primeiro.'

VanLeeuwen diz que muitas tecnologias que estão limitadas às propriedades dos materiais, podem beneficiar pela aplicação deste método na procura de novos materiais. Isto inclui ligas mais leves e mais fortes para a exploração espacial e eficiência energética, melhores sensores para a saúde e melhoramento das turbinas para maior produção energética.

'A natureza segue o caminho de menor resistência. Sabendo este caminho permite-nos calcular as tremendamente importantes propriedades dos materiais. Estas propriedades são críticas à função de um grande numero de tecnologias, desde a possibilidade de um ultra-som para prevenção de uma condição cardíaca mortal à prevenção da fusão de um reactor nuclear,' disse VanLeeuwen.