Os pesquisadores descobriram que, dentro do líquido, nem todos os átomos se movem. Mesmo a temperaturas muito elevadas, alguns átomos permanecem em posições fixas. Esses átomos estacionários têm um impacto significativo na forma como os líquidos se transformam em sólidos, incluindo a criação de um estado incomum da matéria conhecido como “líquido agregado super-resfriado”.
A forma como os materiais se solidificam é crítica em muitos processos naturais, como a mineralização, a formação de gelo e o dobramento de fibrilas proteicas. A solidificação também está no centro de muitas tecnologias, desde a indústria farmacêutica à indústria metalúrgica, incluindo a aeroespacial, a construção e a eletrónica.
Imagem de metal fundido em escala atômica
Para explorar como os sólidos se formam, cientistas das Universidades de Nottingham e Ulm, na Alemanha, usaram microscopia eletrônica de transmissão para observar o processo de solidificação de nanogotículas de metal fundido. Suas descobertas aparecem na edição de 9 de dezembro da revista ACS Nano.
O professor Andrei Hlobistov, líder da equipe, disse: “Quando pensamos sobre a matéria, geralmente pensamos em três estados: gás, líquido e sólido. Embora o comportamento dos átomos em gases e sólidos seja mais fácil de entender e descrever, os líquidos permanecem mais misteriosos.”
Movimentos complexos dentro de líquidos
Nos líquidos, os átomos se movem em padrões complexos e aglomerados, como pessoas se acotovelando em uma rua movimentada. Eles passam um pelo outro em alta velocidade enquanto ainda interagem entre si. Este movimento é particularmente difícil de estudar no momento crítico em que um líquido começa a solidificar, estágio que determina a estrutura do material e muitas de suas propriedades funcionais.
Experimento “hob” de grafeno e instrumento SALVE
Christopher Leist, que conduziu experimentos de microscopia eletrônica de transmissão usando o instrumento SALVE exclusivo de baixa pressão em Ulm, disse:”Primeiro derretemos nanopartículas de metal, como platina, ouro e paládio, depositando-as em um suporte atomicamente fino chamado grafeno. Usamos o grafeno como uma espécie de fogão no processo para aquecer as partículas e, à medida que derreteram, seus átomos começaram a se mover rapidamente, como esperado. No entanto, para nossa surpresa, descobrimos que alguns dos átomos permaneceram estacionário.”
Análises posteriores mostraram que estes átomos estacionários estão firmemente ligados ao material de suporte em locais específicos chamados defeitos pontuais, e que esta ligação forte persiste mesmo em temperaturas muito altas. Ao focar o feixe de elétrons em áreas selecionadas, a equipe pode criar mais defeitos, ajustando assim o número de átomos mantidos no líquido.
Dualidade onda-partícula e novas fases da matéria
O professor Ute Kaiser, fundador do Centro SALVE da Universidade de Ulm, diz:”Nosso experimento nos surpreendeu porque observamos diretamente a dualidade onda-partícula dos elétrons em um feixe de elétrons. Usamos elétrons como ondas para visualizar materiais. Ao mesmo tempo, os elétrons se comportam como partículas, fornecendo explosões discretas de momento, podem se mover e, surpreendentemente, até mesmo ancorar átomos nas bordas dos metais líquidos. Esta observação extraordinária nos permite descobrir novas fases da matéria. “
A equipe de pesquisa já produziu filmes de reações químicas envolvendo moléculas únicas, incluindo o primeiro registro direto em tempo real da quebra e reforma de ligações químicas. Seu método permite observar o desenvolvimento da química no nível dos átomos individuais.
Cercas atômicas e crescimento interrompido de cristais
No novo estudo, os cientistas descobriram que os átomos estacionários desempenham um papel poderoso no direcionamento de como os líquidos se tornam sólidos. Quando apenas alguns átomos estão ancorados, os cristais podem crescer a partir de um líquido e continuar a expandir-se até que toda a nanopartícula se torne sólida. Em vez disso, quando muitos átomos são fixados no lugar, eles interferem no processo e impedem completamente a formação de cristais.
O professor Andrei Khlobystov, da Universidade de Nottingham, disse:”Este efeito é particularmente impressionante quando átomos estacionários formam um anel em torno de um líquido. Uma vez que o líquido fica preso neste invólucro atômico, ele pode permanecer líquido mesmo em temperaturas bem abaixo de seu ponto de congelamento, que no caso da platina pode ser tão baixo quanto 350 graus Celsius, o que é mais de 1.000 graus mais frio do que normalmente esperado. “
Líquido super-resfriado fechado e metal amorfo instável
Se a temperatura for suficientemente baixa, o líquido agregado acabará por se transformar num sólido, mas não em cristais regulares. Em vez disso, torna-se um sólido amorfo, uma forma de metal sem estrutura cristalina ordenada. Este metal amorfo é extremamente instável e só existe enquanto átomos estacionários continuam a confiná-lo. Uma vez quebrada esta restrição, a tensão acumulada é libertada e o metal reorganiza-se na sua forma cristalina habitual.
Estados de metais híbridos e catálise
Jesum Alves Fernandes, especialista em catálise da Universidade de Nottingham, disse: “A descoberta de um novo estado misto de metal é de grande importância. Como o carbono-platina é um dos catalisadores mais amplamente utilizados no mundo, encontrar um estado líquido confinado com comportamento de fase não clássico pode mudar nossa compreensão de como os catalisadores funcionam. Este avanço pode levar ao projeto de catalisadores autolimpantes com maior atividade e vida útil. “
Rumo a novas formas de matéria e tecnologias limpas
Até agora, a agregação em nanoescala só foi alcançada para fótons e elétrons. Este estudo é o primeiro a demonstrar que os próprios átomos podem se agrupar de maneira semelhante. O professor Andrei Hlobistov disse: “Nossa conquista pode anunciar uma nova forma de matéria que combina as propriedades de sólidos e líquidos no mesmo material”.
Os investigadores sugerem que, ao organizar cuidadosamente as posições dos átomos ostensivamente fixos, poderão ser capazes de construir cercas atómicas maiores e mais complexas. Esse controlo sobre os metais raros poderia levar a uma utilização mais eficiente destes materiais em tecnologias limpas, incluindo a conversão e o armazenamento de energia.
Este trabalho foi financiado pelo programa EPSRC Metal Atoms at Surfaces and Interfaces (MASI) para um Futuro Sustentável.
