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O que é um Material Quântico?

por em 14/08/2020 em Ciência, Notícias | Nenhum comentário

O que é um Material Quântico?

Mais um texto da SEMANA TEMÁTICA DE QUÂNTICA! E dessa vez eu venho aqui com um assunto POLÊMICO! Afinal o que é um material quântico? É uma apostila de coach quântico? É um metamaterial chique? Onde vivem? Do que se alimentam? Veremos em breve.

Olha, eu devido aos outros textos aqui da semana, já deu pra perceber que física quântica não é um assunto tão impossível assim, nossos colegas aqui fizeram um excelente trabalho para desmitificar diversos conceitos curiosos e trazê-los pro nosso dia a dia. Entretanto, é inegável que existe um inconsciente coletivo de que quântico = misterioso e difícil. Ou ainda, quântico = tecnologicamente avançado. E se você fizer uma busca no google por “material quântico” você vai achar diversas matérias falando de materiais com propriedades diferentes, afirmando serem materiais quânticos, mas ninguém se dá ao trabalho de definir exatamente o que é um material quântico.

Na minha opinião,

por mais CHIQUE que seja, chamar um material de quântico, é uma classificação bem ruim na verdade, né? Porque, pensa aqui comigo, a física quântica é aquela que vai trabalhar com aquelas partículas tão pequenas que as leis “clássicas” já não explicavam mais o comportamento. Mas todo material é feito dessas partículas. Qualquer que seja a definição de material que você queira utilizar, ele ainda vai ser formado de elétrons, prótons, nêutrons e mais. As ligações que essas partículas formam também são explicadas através de física quântica, as propriedades desses materiais muitas vezes têm explicações que, no final das contas, também são objetos de estudo da física quântica. Então por que só alguns materiais são tidos como “quânticos”?

O mais honesto, na minha opinião, seria denominar, “materiais com propriedades exóticas”. Ou mesmo botar tudo debaixo do guarda-chuva dos metamateriais. Que, caso você não lembre o que é, pode clicar aqui. “Material quântico” me parece mais uma apelação do nível de “coach quântico” do que uma classificação realista.

Mas muito que bem. Mesmo assim, tem-se feito muitos avanços em materiais que se “utilizam” de efeitos da física quântica para gerar propriedades de alcance macroscópico, que são totalmente inexplicáveis dentro da física clássica. E é de um exemplo desses que vamos tratar aqui hoje. O niquelato de samário. Um material que consegue ser uma exceção na formulação clássica onde o quanto de luz ele emite é dependente da temperatura.

Essa é a formulação clássica do total de energia emitida por uma superfície.

Sem entrar muito a fundo nas equações aqui,

o conceito básico é o seguinte: quanto maior a temperatura de um corpo, mais luz ele vai emitir. Isso acontece para quase todos os materiais que nós conhecemos, mas não para o niquelato de samário na faixa de temperatura do 105 °C aos 135 °C. E porque isso acontece? Quântica PURINHA!

Pra não complicar muito eu vou me ater aqui somente as estruturas atômicas, metais em particular formam um tipo especial de ligação chamada de ligação metálica (NOSSA, QUEM PODERIA IMAGINAR, COM ESSE NOME NÉ?), onde os elétrons desses metais ficam compartilhados por toda a estrutura formada por essas ligações. Nesse tipo de ligação, os elétrons mais externos ficam mais “soltos” em relação a outros tipos de ligação. Isso em parte explica o porquê de os metais serem excelentes condutores elétricos. Se você quer fazer correr um corrente de elétrons, o ideal é que eles tenham maior mobilidade na estrutura né?

Porém, os metais podem assumir 14 estruturas atômicas diferentes, as chamadas estruturas de bravais, e cada uma dessas estruturas, permite uma maior mobilidade desse verdadeiro mar de elétrons, fazendo com que algumas estruturas sejam consideradas condutoras, e outras isolantes.

AS 14 estruturas cristalinas possíveis previstas por Auguste Bravais, pasmem, em 1848!

 

Agora vem outra coisa curiosa

Muitos metais mudam de estrutura conforme a temperatura aumenta ou diminui. Isso se dá porque os átomos vão sempre se posicionar na configuração de menor energia. Conforme a temperatura muda, um configuração pode não ser mais a mais estável e os átomos vão se reorganizar em outra estrutura.

E agora é que vem a parte DIFERENTONA. Quase nenhum metal faz transições de fases isolantes para fases condutoras. Isso não é um aspecto comum na natureza. Mas não para a nossa estrela da noite.

Naquela faixa de temperatura, o niquelato de samário está com uma estrutura que retém o fluxo de elétrons (isolante), e com a subida da temperatura, ele muda para a estrutura que libera o fluxo (condutora), porem essa mudança abrupta faz com que a energia “a mais” que ele deveria emitir por conta do aumento de temperatura não aconteça, então ele não muda os níveis de energia emitida nessa faixa de temperatura.

Essa é a grande diferença desse tipo de material, em uma faixa de temperaturas, o total de energia irradiado é constante.

 

Show! Isso é muito interessante e talz,

mas qual é a utilidade disso? Agora que vem ele! O giro da beyblade! Sabe uma tecnologia que compara níveis de emissão para diferenciar objetos? CÂMERAS TERMAIS! Sim, elas usam essa relação de emissão com temperatura para “enxergar” objetos. Isso fez com que o niquelato de samário, tenha aparecido como uma possível “capa de invisibilidade” para câmeras termais. Porque um hipotético revestimento desse material poderia esconder objetos de tecnologias que usam emissão para reconhecimento. E te garanto, que não falta é mercado potencial dessa aplicação.

Temos sempre que levar em conta que isso ainda é muito novo, e restrito para uma faixa pequena de temperaturas, estamos muito longe de ter uma invisibilidade completa mesmo que seja na faixa da luz infravermelha. Mas foi um efeito tão “não clássico” que vendeu o material como um “material quântico”.

Enfim, ficamos por aqui com essa reflexão. Materiais quânticos na minha humilde opinião, são aqueles que conseguem divergir das formulas clássicas de física. Depois de ler isso aqui, eu que faço a pergunta, e pra você? O que seria um material quântico?

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