A “Alquimia Digital” de Sharon Glotzer

Uma física teórica especializada no estudo de matéria condensada que agora dirige um próspero grupo de pesquisa com trinta e três membros na Universidade de Michigan. Essa é Sharon Glotzer, que usa simulações computacionais para estudar a emergência – o fenômeno no qual simples objetos dão origem a comportamentos coletivos surpreendentes. “Desde que surgimos no planeta, temos observado bandos de pássaros formarem incríveis padrões nos céus que sequer parecem reais e estão em constante transformação”, ela diz. “Mas só recentemente os cientistas começaram a se perguntar como isso ocorre, como os pássaros se comunicam de forma a criar o mesmo padrão?”

Glotzer está em busca dos princípios fundamentais que governam a forma como as propriedades macroscópicas emergem a partir de interações e arranjos microscópicos espontâneos. Um grande avanço veio no final da última década do século XX, quando ela era uma jovem pesquisadora do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, em Gaithersburg, Maryland. Glotzer e sua equipe desenvolveram algumas das primeiras e melhores simulações computacionais de líquidos que se aproximavam da transição para o vidro – uma fase comum, ainda que misteriosa, da matéria, em que os átomos estão presos a uma posição, mas não cristalizados. As simulações revelaram “correntes” de átomos interligados, que deslizam rapidamente pelo material. Padrões de fluxo semelhantes também foram posteriormente observados em sistemas granulares, multidões em grandes eventos e engarrafamentos. Os resultados demonstraram a capacidade das simulações para revelar fenômenos emergentes.

Um grande momento para a equipe ocorreu em 2009, quando Glotzer e seu grupo descobriram que a entropia, um conceito comumente combinado com a desordem, pode realmente organizar as coisas. Suas simulações mostraram que a entropia impulsiona formas piramidais simples chamadas tetraedros a se reunirem espontaneamente em um quase-cristal – um padrão espacial tão complexo que nunca se repete exatamente. A descoberta foi a primeira indicação do papel poderoso e paradoxal que a entropia desempenha no surgimento da complexidade e da ordem.

Ultimamente, Glotzer e sua equipe estão engajados no que ela chama de “alquimia digital”. Digamos que um cientista queira criar uma estrutura ou material específico. A equipe de Glotzer pode fazer engenharia reversa com os blocos de construção microscópicos, para que se reúnam da maneira desejada. É como criar ouro do nada – somente nos tempos modernos, a substância cobiçada pode manifestar-se como um cristal coloidal ou uma montagem macromolecular.

Glotzer atualmente busca as regras que governam a emergência em geral: um simples modelo que possa descrever quasicristais auto-organizáveis, proteínas cristalizantes ou células de organismos vivos que surgem espontaneamente a partir de elementos mais simples. Ela discutiu sua trajetória com Quanta Magazine em fevereiro; segue-se uma versão condensada e editada da entrevista.

QUANTA MAGAZINE: Conte-me sobre o seu famoso artigo na Nature de 2009, que vinculou a automontagem à entropia.

SHARON GLOTZER: Suponha que você tenha bolas de beisebol em uma piscina de água e que elas tenham exatamente a mesma densidade da piscina. Desse modo, elas não afundam e nem flutuam, elas apenas ficam suspensas na superfície, empurrando-se umas às outras. Então você tenta confiná-las todas juntas. Auto-montagem é o que acontece quando as bolas se organizam espontaneamente em um padrão reconhecível. E se as partículas forem perfeitamente duras e não tiverem outras interações, elas se organizarão para ter a maior entropia possível.

Tetraedro

Então estávamos estudando esses tetraedros, que é o mais simples sólido platônico – a forma tridimensional mais simples, certo? Eu tinha um pressentimento de que seria interessante ver como tendem a se combinar uns com os outros baseados apenas na entropia, o que significa que eles não tem interações diretas entre si – eles não querem ficar juntos; não há exigências; não há nada; há apenas entropia. Mas eu não fazia ideia de quão interessante isso era. Eu não tinha a menor ideia de que eles formariam o tipo de estrutura que formam.

Você mostrou que os tetraedros se organizam em um quase-cristal – um estrutura realmente complexa e ordenada. As pessoas normalmente entendem a lei da entropia como a tendência de as coisas ficarem mais desordenadas, mas você está dizendo que a entropia leva à ordem. Por que isso não é um paradoxo?

Você está absolutamente certo de que é algo completamente contraintuitivo. Geralmente, pensamos que entropia significa desordem, e assim uma estrutura desordenada teria mais entropia do que uma estrutura ordenada. Isso pode ser verdade em certas circunstâncias, mas nem sempre é verdade. E, nesses casos, não é verdade. Prefiro pensar em entropia como relacionada a opções: quanto mais opções um sistema de partículas tiver para se organizar, maior a entropia. Em determinadas circunstâncias, é possível que um sistema tenha mais opções – mais arranjos possíveis – de seus componentes se o sistema for solicitado.

O que acontece é que as partículas tentam maximizar a quantidade de espaço disponível para se mexerem. Se você puder mexer-se, pode reorganizar sua posição e orientação. Quanto mais posições, mais opções e, portanto, mais entropia. Então você imagina essas bolas na água. Eles estão se movendo ao redor – traduzindo, estão girando. Eles estão em oscilação por causa do movimento térmico das moléculas de água. E o que esses sistemas querem fazer é espaçar as partículas o suficiente para maximizar a quantidade de espaço de manobra disponível para todas as partículas. Dependendo da forma da partícula, isso pode levar a arranjos extremamente complicados.

Portanto, partículas tetraédricas ou esféricas evoluem para estados que lhes permitem se mexer de mais maneiras e, portanto, têm maior entropia. Antes de sua simulação, as pessoas sabiam que se podia encontrar ordem na entropia?

Sabe-se que a entropia sozinha pode fazer com que partículas esféricas, chatas e cilíndricas se alinhem, mas essas fases ordenadas são bem simples. Por isso, a entropia não era realmente considerada uma força motriz tão importante para a auto-organização. Quando fizemos essa simulação com tetraedros e pegamos o que ainda hoje é a estrutura mais complicada e entropicamente estabilizada já conhecida, isso realmente mudou a forma como as pessoas consideravam a hipótese.

Quase-cristais apresentam padrões reconhecíveis mas não exatamente idênticos.

Então minha equipe começou a estudar cada forma imaginável. Nós apenas começamos a jogar todos os tipos de formas convexas no computador, e continuamos obtendo uma estrutura de cristal após a outra, algumas muito complicadas. Em 2012, publicamos um artigo na Science onde estudamos 145 formas diferentes e mostramos que 101 delas se auto-montaram em algum tipo de cristal complicado. Desde então, meu grupo encontrou dezenas de milhares de formas diferentes. Nós publicamos um artigo com 50.000 formas.

Quais são algumas das coisas que você está descobrindo?

Os tipos de questões que estou analisando agora envolvem todo esse banco de dados de todas as estruturas de cristal que são conhecidas. E todos esses “grupos espaciais”, estruturas que podem obedecer a todas essas operações de simetria diferentes, rotações e translações que deixam as estruturas inalteradas. Há algumas centenas desses grupos. Posso obter cada um deles apenas com entropia? Com partículas coloidais, como as que existem em qualquer tipo de gel, mesmo sem interações já conseguimos obter até cinquenta dos grupos espaciais conhecidos. Há algum que não seja possível apenas com entropia? E se sim, porque? Nós também começamos a olhar para combinações de formas. Nós nem falamos sobre formas loucas e complicadas, e sobre formas côncavas. Então, até onde você pode ir com apenas entropia? E o que significa que posso formar a mesma estrutura de várias formas diferentes? Há algo muito mais fundamental para entender sobre a organização da matéria e, ao nos concentrarmos na forma e na entropia, estamos chegando ao cerne disso.

Uma das coisas que notamos é que existem algumas regras de design. Por exemplo, quando os poliedros têm faces grandes e planas, eles querem se alinhar de modo que suas faces estejam voltadas uma para a outra – porque isso dá mais espaço de manobra, mais maneiras de organizar as partículas. Mas se você tem muitas faces de tamanhos diferentes, é mais difícil prever. Você pode acabar com um sistema vítreo ou um sistema rígido em vez de uma estrutura ordenada.

Nos últimos dois anos, você começou a trabalhar com a reversão de processos.

Estamos basicamente fazendo alquimia no computador. Os antigos alquimistas queriam transmutar os elementos e transformar chumbo em ouro. Mas imagine que você tenha uma estrutura específica e queria saber qual é a melhor forma para obter essa estrutura. É o que muitos cientistas de materiais estão fazendo agora – tentando analisar o problema a partir de seu resultado final. Essa abordagem de “design inverso” é diferente da maneira como você pode pesquisar compostos, por exemplo, ou encontrar cristais de proteínas. Tradicionalmente, você faz simulação após simulação, e em todas você está apenas processando toneladas de moléculas diferentes para ver qual delas criará o padrão final desejado.

O design inverso é mais estratégico. Começamos com uma estrutura alvo e usamos a termodinâmica estatística para encontrar a partícula que resolve o problema do projeto. O que fazemos é ampliar o modo como essas simulações são tipicamente feitas, incluindo a forma das moléculas como uma variável. A partir disso, podemos fazer uma única simulação onde a forma dos blocos de construção pode mudar dinamicamente e assim deixamos que o próprio sistema nos diga qual é o melhor modo de produzir a estrutura final. Por isso chamo isso de alquimia digital.

Você também pensou em como a entropia poderia ter desempenhado um papel na origem da vida.

A maioria dos cientistas pensa que, para ter ordem, você precisa de ligações químicas – você precisa de interações. E nós mostramos que isso não é necessário. Você pode simplesmente ter objetos que podem se auto-organizar quando estão suficientemente confinados. E isso leva você a perguntar-se qual foi a primeira auto-organização das coisas e como ela aconteceu. Você pode supor que havia minúsculas fendas microscópicas em rochas submersas, e que as moléculas existentes nessas fendas simplesmente se auto-organizaram devido aos processos que acabo de descrever. Essa é uma maneira completamente diferente de pensar sobre a vida e a complexidade crescente: ambos são a mesma coisa, e agora podemos fazer essa afirmação porque foi o que fizemos, podemos um monte de objetos e colocá-los em um espaço de confinamento e reduzir as dimensões desse espaço, e esses objetos vão espontaneamente se organizar. Então talvez esse fenômeno seja importante na origem da vida, e não acho que isso tenha sido considerado até agora.

Quando você se tornou fascinada pela emergência?

Quando fui fazer pós-graduação na Universidade de Boston, entrei em um laboratório experimental. Passei um ano inteiro basicamente projetando um flange para uma câmara de pulverização. Não era algo inspirador. Eu gosto de quebra-cabeças, gosto de computadores, gosto de matemática. Um dia a bomba de vácuo explodiu em mim e eu estava coberta de óleo de bomba. E eu saí do laboratório e o professor me viu e disse: “Você me parece mais um cientista teórico, venha conversar comigo.” No final do dia, eu tinha me juntado ao grupo dele e foi uma das decisões que mais mudaram minha vida. Com Stanley, eu estava estudando a cinética das misturas poliméricas de separação de fase. Eu estava olhando, por exemplo, o que acontece quando os polímeros estão conectados uns aos outros. Que tipo de estruturas você poderia obter quando há forças motrizes concorrentes – uma que queira separar polímeros e outra que os queira unir? Quais fenômenos emergentes vêm disso? Naquela época, eu não usava essa linguagem, mas foi quando descobri que gosto dessa ideia de complexidade emergente e imprevisível que surge de coisas simples.

[Tradução do texto Digital Alchemist’ Seeks Rules of Emergence publicado originalmente no site Quanta magazine.]