Pesquisadores da Universidade Brown e da Universidade de Michigan alcançaram resultados que os cientistas só podiam imaginar até agora. Ao organizar cuidadosamente minúsculas partículas de prata em estruturas personalizadas, eles criaram e estabilizaram um estado de matéria anteriormente indescritível que existia apenas em modelos teóricos.
Este trabalho foi publicado em ciênciacapturando estados estruturais intermediários que ocorrem durante as transições entre dois arranjos cristalinos comuns em metais. Além de revelar novos detalhes sobre como essas transformações ocorrem, os materiais recém-criados exibem um comportamento óptico incomum que pode, em última análise, ser útil para a computação quântica e outras tecnologias de informação quântica.
De forma mais ampla, a investigação demonstra uma nova estratégia para conceber materiais de baixo para cima, através da montagem de nanopartículas especialmente concebidas em novas estruturas com propriedades personalizadas.
“O que fazemos é um pouco como crianças brincando com Legos”, disse Ou Chen, professor associado de química na Universidade Brown e autor correspondente do estudo. “Sintetizamos blocos de construção exclusivos em nanoescala e os empilhamos em estruturas interessantes. Neste caso, fomos capazes de estabilizar essas estruturas de transição teóricas e demonstrar importantes propriedades ópticas quânticas.”
Capturando a etapa que faltava na conversão do cristal
Muitos materiais metálicos organizam naturalmente seus átomos em um dos dois arranjos cristalinos chamados cúbico de face centrada (FCC) e cúbico de corpo centrado (BCC).
Numa estrutura FCC, as partículas são compactadas o mais firmemente possível. Eles ocupam todos os cantos do cubo e o centro de cada face. A estrutura CCC possui uma densidade de empacotamento ligeiramente inferior, com partículas localizadas nos cantos do cubo e uma única partícula localizada no centro do próprio cubo.
Alguns metais podem alternar entre esses arranjos quando aquecidos. Por exemplo, o ferro muda da sua estrutura CCC para a sua estrutura FCC a 912 graus Celsius.
Os cientistas propuseram várias explicações sobre como ocorre essa transição. Um modelo líder conhecido como via Nishiyama-Wassermann prevê uma série de estruturas intermediárias de curta duração que se formam durante a transição. Como essas mesofases são altamente instáveis, a observação direta delas é extremamente difícil.
A nova pesquisa utilizou com sucesso nanopartículas de prata para recriar e estabilizar esses estados estruturais fugazes.
“Os cientistas de materiais há muito se interessam em controlar as quantidades de FCC e BCC nos metais, mas as transições entre essas fases têm sido difíceis de estudar porque são muito instáveis”, disse o co-autor do estudo Tim Moore, cientista assistente de pesquisa no laboratório de Sharon Glotzer na Universidade de Michigan. “Ser capaz de observar estas estruturas é um avanço fundamental na ciência dos materiais, dando-nos maior controlo sobre a engenharia de nanomateriais.”
Construindo novos materiais com nanopartículas customizadas
Para criar a nova estrutura, os pesquisadores sintetizaram nanopartículas de prata em forma de octaedros truncados, que chamaram de “mecons”. As partículas se assemelham a um diamante com os cantos cortados, criando uma geometria de 14 lados.
De acordo com Chen, esta forma é particularmente útil porque fica em algum lugar entre uma esfera e um cubo, duas formas que naturalmente se encaixam de maneiras diferentes.
A equipe, liderada pelo cientista pesquisador sênior e autor principal do estudo, Yasutaka Nagaoka, ajustou as condições de aquecimento durante a síntese para produzir mecon com vários graus de redondeza e características cúbicas. Eles então revestiram as partículas com longas cadeias moleculares que agem como conectores pegajosos, permitindo que elas se reunissem em estruturas maiores e ordenadas chamadas superredes de nanopartículas.
Combinando observações laboratoriais com simulações computacionais detalhadas conduzidas em colaboração com o grupo de Glotzer na Universidade de Michigan, os pesquisadores descobriram que esses revestimentos moleculares desempenham um papel fundamental na estabilização de um arranjo que corresponde à estrutura de transição prevista pela via Nishiyama-Wassermann.
“Você pode pensar neles como partículas peludas”, disse Moore. “Os cabelos são flexíveis o suficiente para dar às partículas mais liberdade de movimento, mas também se mantêm unidos o suficiente para permitir que as partículas se unam.”
Efeitos ópticos quânticos à temperatura ambiente
A superrede de prata recém-montada exibiu outra propriedade notável quando exposta à luz.
Os pesquisadores observaram sinais de acoplamento profundo luz-matéria, um fenômeno no qual elétrons e ondas de luz dentro de nanopartículas de prata oscilam de forma completamente sincronizada e se tornam emaranhados mecanicamente quântica.
Esses tipos de efeitos ópticos quânticos são frequentemente associados a temperaturas extremamente baixas. No entanto, o novo material parece apresentar este comportamento à temperatura ambiente.
A descoberta poderá estabelecer as bases para o desenvolvimento de materiais futuros para uso em computação quântica, tecnologia de detecção e outros sistemas quânticos avançados.
“Assim que for possível identificar novas fases da matéria, novas aplicações surgirão”, disse Chen.
Esta pesquisa recebeu vários subsídios da National Science Foundation (DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 2230891, 2243104, DMR 140129, 21382596 2137603, 2138296) e o Departamento de Energia (DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975).
