Complexidade natural

Agência FAPESP – Como átomos e moléculas se reúnem para formar aglomerados intrincados é algo que há muito tempo tem chamado a atenção de cientistas. O interesse é grande, pois desvendar os segredos dos designs da natureza permitiria um desenvolvimento ímpar na engenharia de sistemas artificiais.
Em artigo na edição da revista Science, pesquisadores da Universidade Harvard, nos Estados Unidos, desvendam algumas pistas de como e por que grupos de átomos e moléculas adotam formas e padrões menos simétricos e, ao mesmo tempo, geometricamente mais complexos e flexíveis.
A resposta está relacionada a um conceito familiar na física: a entropia. Os pesquisadores, liderados por Vinothan Manoharan e Michael Brenner, tomaram como ponto de partida do estudo brinquedos de montar compostos por peças magnéticas no qual bastões e esferas são reunidos em formas geométricas.
Na pesquisa, o grupo usou partículas coloidais – uma suspensão química comum em alimentos semi-sólidos como maionese – para simular o comportamento de aglomeração de átomos e moléculas.
“Para permitir a formação de aglomerados, colocamos algumas minúsculas esferas de poliestireno em túneis cilíndricos microscópicos cheios de água. As partículas agiram como esferas ‘grudentas’ e naturalmente se reuniram da mesma forma como as moléculas e átomos fazem”, disse Manoharan.
Os pesquisadores esperavam a formação de desenhos mais simples e altamente simétricos, mas dois fenômenos relacionados se manifestaram quando o número de partículas usado no experimento chegou a seis ou passou de nove.
Seis partículas podem formar um octaedro simétrico e um mais complexo tritetraedro. Em termos de estrutura química, cada um dos desenhos resulta em 12 arestas e na mesma quantidade de energia potencial.
Como a energia potencial era igual, Manoharan e colegas acharam que as duas formas ocorreriam na mesma proporção. Mas, para surpresa deles, o tritetraedro ocorreu 20 vezes mais frequentemente do que o octaedro.
“A única explicação possível para isso é a entropia. A maioria das pessoas acha que entropia é uma medida de ‘desordem’, mas sua definição mais adequada é simplesmente o número de maneiras diferentes na qual um punhado de partículas se agrupa”, disse o cientista.
Como o número de estruturas possíveis com nove partículas ou mais é muito extenso, os pesquisadores se centraram nas chamadas estruturas flexíveis. A ausência de rigidez ocorre quando um aglomerado tem a metade de um octaedro que divide pelo menos um vértice, permitindo que o agrupamento gire sem quebrar e forme outra aresta – algo facilmente observável nas peças magnéticas de montar.
“Como podem se mover de maneira flexívei, os aglomerados não rígidos têm alta entropia vibracional. Em casos com nove ou mais partículas, os aglomerados simétricos não aparecem tão frequentemente devido à entropia rotacional. A capacidade de rotacionar é útil, uma vez que permite que os aglomerados tenham arestas extras”, explicou Manoharan.
Como regra geral, os pesquisadores verificaram que, para todos os aglomerados de até oito partículas e para um determinado número de estruturas com até 12 partículas, as estruturas mais simétricas ocorreram com menos frequência.
O artigo The free-energy landscape of clusters of attractive hard spheres (10.1126/science.1181263), de Michael Brenner e outros, pode ser lido na Science em www.sciencemag.org.