La nuova teoria dell’entropia può risolvere i problemi di progettazione dei materiali

L’entropia è la misura del disordine in un sistema che si verifica in un periodo di tempo senza alcuna energia per ristabilire l’ordine. Zentropy integra l’entropia a livelli multiscala. Credito: Elizabeth Flores-Gomez Murray/Jennifer M. McCann, Penn State

Una sfida nella progettazione dei materiali è che sia nei materiali naturali che in quelli artificiali, il volume a volte diminuisce o aumenta con l’aumento della temperatura. Sebbene ci siano spiegazioni meccaniche per questo fenomeno per alcuni materiali specifici, rimane una comprensione generale del motivo per cui a volte ciò accade.

Tuttavia, un team di ricercatori della Penn State ha elaborato una teoria per spiegarla e poi prevederla: Zentropy.

Zentropy è un gioco di entropia, un concetto centrale nella seconda legge della termodinamica che esprime la misura del disordine di un sistema che si verifica in un periodo di tempo in cui non c’è energia applicata per mantenere l’ordine nel sistema. Pensa a una stanza dei giochi in una scuola materna; se non viene impiegata alcuna energia per mantenerlo in ordine, diventa rapidamente disordinato con i giocattoli su tutto il pavimento, uno stato di alta entropia. Se l’energia viene immessa attraverso la pulizia e l’organizzazione della stanza una volta che i bambini se ne vanno, la stanza torna a uno stato di ordine e bassa entropia.

La teoria della zentropia rileva che la relazione termodinamica dell’espansione termica, quando il volume aumenta a causa dell’aumento della temperatura, è uguale alla derivata negativa dell’entropia rispetto alla pressione, cioè l’entropia della maggior parte dei sistemi materiali diminuisce all’aumentare della pressione. Ciò consente alla teoria Zentropy di essere in grado di prevedere la variazione di volume in funzione della temperatura a livello multiscala, ovvero le diverse scale all’interno di un sistema. Ogni stato della materia ha la sua entropia e le diverse parti di un sistema hanno la propria entropia.

“Quindi è di questo che tratta l’equazione Zentropy, impilarli insieme. Crea una funzione di partizione che è la somma di tutte le scale di entropia.

Zi-Kui Liu, Dorothy Pate Enright Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali

“Quando si parla dell’entropia di configurazione (i diversi modi in cui le particelle si riorganizzano all’interno di un sistema), l’entropia è solo una parte dell’entropia del sistema”, ha affermato Zi-Kui Liu, Dorothy Pate Enright Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali e ricercatrice primaria nel studia. “Quindi, devi aggiungere l’entropia dei singoli componenti di quel sistema nell’equazione, e poi consideri le diverse scale, l’universo, la Terra, le persone, i materiali, queste sono scale diverse all’interno di sistemi diversi”.

Gli autori dello studio, pubblicato nel Journal of Phase Equilibria e Diffusion, ritengono che Zentropy possa essere in grado di prevedere anomalie di altre proprietà fisiche delle fasi oltre il volume. Questo perché le risposte di un sistema agli stimoli esterni sono guidate dall’entropia.

Le funzionalità macroscopiche dei materiali derivano da assemblaggi di stati microscopici (microstati) a tutte le scale pari e inferiori alla scala dello stato di indagine macroscopico. Queste funzionalità sono difficili da prevedere perché solo uno o pochi microstati possono essere considerati in un tipico approccio computazionale come i calcoli predittivi “dall’inizio”, che aiutano a determinare le proprietà fondamentali dei materiali.

“Questa sfida diventa acuta nei materiali con transizioni di fase multiple, che sono processi che convertono la materia da uno stato all’altro, come la vaporizzazione di un liquido”, ha detto Liu. “Questo è spesso il luogo in cui esistono le funzionalità più trasformative, come la superconduttività e la risposta elettromeccanica gigante”.

La teoria della zentropia “impila” queste diverse scale in una teoria dell’entropia che comprende i diversi elementi di un intero sistema, presentando una formula annidata per l’entropia di complessi sistemi multiscala, secondo Liu.

“Hai queste diverse scale e puoi accumularle con la teoria di Zentropy”, ha detto Liu. “Ad esempio, gli atomi come proprietà vibrazionali, sono di scala ridotta, quindi hai l’interazione elettronica, di scala ancora più bassa. Quindi ora come li impilate insieme per coprire l’intero sistema? Quindi questo è ciò di cui tratta l’equazione Zentropy, impilandoli insieme. Crea una funzione di partizione che è la somma di tutte le scale di entropia.

“La teoria Zentropy ha il potenziale per essere applicata a sistemi più grandi perché l’entropia guida i cambiamenti in tutti i sistemi, siano essi buchi neri, pianeti, società o foreste”.

Zi-Kui Liu, Dorothy Pate Enright Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali

Questo approccio è stato qualcosa su cui il laboratorio di Liu ha lavorato per più di 10 anni e cinque diversi studi pubblicati.

“L’idea in realtà è diventata molto semplice dopo che l’abbiamo studiata e compresa”, ha detto Liu.

Zentropy ha il potenziale per cambiare il modo in cui i materiali sono progettati, in particolare quelli che fanno parte di sistemi esposti a temperature più elevate. Queste temperature, data la dilatazione termica, potrebbero causare problemi se i materiali si espandono.

“Questo ha il potenziale per consentire la comprensione e la progettazione di base di materiali con proprietà emergenti, come nuovi superconduttori e nuovi materiali ferroelettrici che potrebbero potenzialmente portare a nuove classi di elettronica”, ha affermato Liu. “Inoltre, sono possibili anche altre applicazioni come la progettazione di materiali strutturali migliori che resistono a temperature più elevate”.

Sebbene ci siano vantaggi per la società in generale, i ricercatori potrebbero applicare Zentropy a più campi. Ciò è dovuto al modo in cui l’entropia è presente in tutti i sistemi.

“La teoria Zentropy ha il potenziale per essere applicata a sistemi più grandi perché l’entropia guida i cambiamenti in tutti i sistemi, siano essi buchi neri, pianeti, società o foreste”, ha detto Liu.

Riferimento: “Zentropy Theory for Positive and Negative Thermal Expansion” di Zi-Kui Liu, Yi Wang e Shun-Li Shang, 3 febbraio 2022, Journal of Phase Equilibria e Diffusion.
DOI: 10.1007/s11669-022-00942-z

Insieme a Liu, altri autori dello studio includono Yi Wang, professore di ricerca in scienza e ingegneria dei materiali, e Shun-Li Shang, professore di ricerca in scienza e ingegneria dei materiali. Il lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation, dal Dipartimento dell’Energia e dal Dipartimento della Difesa.

Leave a Comment