Quando o gelo se transforma em água, essa mudança ocorre quase imediatamente. Quando a temperatura atinge o ponto de fusão, a estrutura rígida do gelo colapsa em água líquida. Esta rápida transição de sólido para líquido é típica de materiais tridimensionais familiares.
Materiais extremamente finos se comportam de maneira muito diferente. Em vez de derreterem de uma só vez, eles passam por um estado intermediário incomum entre sólido e líquido. Esta condição rara é chamada de fase hexagonal. Cientistas da Universidade de Viena observaram agora diretamente esta fase em cristais atomicamente finos, o que nunca foi demonstrado antes.
Ao combinar microscopia eletrônica avançada com redes neurais, a equipe documentou como os cristais de iodeto de prata eram protegidos por uma camada de grafeno à medida que derretiam. Esses materiais 2D ultrafinos permitem aos pesquisadores observar processos de fusão no nível de átomos individuais. Esses resultados melhoram muito a compreensão científica de como funcionam as transições de fase bidimensionais. As descobertas, que também contradizem expectativas teóricas de longa data, são agora publicadas em ciência.
Por que os materiais 2D derretem de maneira diferente
Nos materiais do dia a dia, o derretimento ocorre repentinamente. Uma vez atingida a temperatura de fusão, a estrutura sólida ordenada rapidamente se transforma em um líquido desordenado. Metais, minerais, gelo e muitas outras substâncias tridimensionais comportam-se desta forma.
No entanto, quando o material encolhe para quase duas dimensões, a fusão segue um caminho diferente. Entre os estados sólido e líquido, podem aparecer fases intermediárias distintas. Este estado é chamado de fase hexagonal, que foi proposto pela primeira vez na década de 1970, mas ainda é difícil de confirmar em materiais reais.
Nesta fase, o material apresenta comportamento híbrido. O espaçamento entre as partículas torna-se irregular, semelhante ao de um líquido, enquanto os ângulos entre elas permanecem parcialmente ordenados, característica geralmente associada aos sólidos. Esta combinação torna a fase hexagonal um estado híbrido com as propriedades de ambas as formas de matéria.
Resolva mistérios de longa data em materiais reais
Até agora, a fase hexagonal só foi observada em sistemas modelo simplificados, como esferas de poliestireno compactadas. Os cientistas não têm certeza se o mesmo comportamento existe em materiais do dia a dia mantidos juntos por fortes ligações químicas.
Uma equipa de investigação internacional liderada pela Universidade de Viena respondeu agora a esta questão. Ao estudar cristais atomicamente finos de iodeto de prata (AgI), os pesquisadores foram capazes de observar diretamente a fase hexagonal em materiais fortemente ligados pela primeira vez. Essa conquista resolve um problema que estava sem solução há décadas.
A descoberta confirma que esta fase indescritível pode ocorrer em cristais verdadeiramente bidimensionais e revela novos detalhes sobre como a fusão ocorre quando o material é reduzido à espessura atômica.
Átomos fundidos dentro de um sanduíche de grafeno
Para observar este processo frágil, os pesquisadores projetaram uma configuração experimental especializada. Uma única camada de iodeto de prata é colocada entre duas folhas de grafeno, criando um “sanduíche” protetor. Esta estrutura evita o colapso dos delicados cristais, ao mesmo tempo que permite que derretam naturalmente.
A equipe então usou um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) equipado com um suporte aquecido para aumentar gradualmente a temperatura da amostra para mais de 1.100°C. Esta configuração permite registrar o processo de fusão em tempo real com resolução atômica.
Como a inteligência artificial torna possível o rastreamento em nível atômico
Rastrear o movimento de átomos individuais durante o processo de fusão gera uma riqueza de dados. Esta tarefa seria impossível sem inteligência artificial, disse Kimmo Mustonen, da Universidade de Viena e autor principal do estudo. “Seria impossível rastrear todos esses átomos individuais sem usar ferramentas de inteligência artificial, como redes neurais”, explica.
Os pesquisadores treinaram sua rede neural usando grandes quantidades de dados simulados. Após o treinamento, o sistema analisou milhares de imagens microscópicas de alta resolução geradas durante o experimento.
Janela estreita de temperatura revela seis fases
A análise revelou um resultado surpreendente. Em uma faixa de temperatura menor (cerca de 25 °C abaixo do ponto de fusão do AgI), o cristal entra em uma fase hexagonal bem definida. Medições adicionais de difração de elétrons confirmaram esse comportamento, fornecendo fortes evidências de que esse estado intermediário existe em materiais atomicamente finos e fortemente ligados.
Repensando como funciona a fusão 2D
A pesquisa também revela comportamentos que desafiam as teorias existentes. Os primeiros modelos sugeriam que ambas as transições, de sólido para hexagonal e de hexagonal para líquido, deveriam ocorrer gradualmente. Em vez disso, os investigadores descobriram que apenas a primeira transição seguiu este padrão.
Embora a transição do sólido para o hexagonal tenha ocorrido suavemente, a transição do hexagonal para o líquido aconteceu repentinamente, como o gelo se transformando em água. “Isto mostra que a fusão de cristais bidimensionais covalentes é muito mais complexa do que se pensava anteriormente”, diz David Lamprecht, da Universidade de Viena e da Universidade Técnica de Viena (TU Wien), um dos principais autores do estudo, juntamente com Thuy An Bui, também da Universidade de Viena.
Abrindo novos caminhos na ciência dos materiais
A descoberta desafia décadas de suposições teóricas e abre novas direções para o estudo da matéria nas menores escalas. Jani Kotakoski, líder do grupo de pesquisa da Universidade de Viena, enfatizou a importância deste trabalho, dizendo: “Kimmo e colegas demonstraram mais uma vez o poder da microscopia de resolução atômica”.
Além de melhorar a nossa compreensão da fusão bidimensional, a investigação demonstra como a microscopia avançada e a inteligência artificial podem trabalhar em conjunto para explorar novas fronteiras na ciência dos materiais.
Pontos principais
- Quando os materiais têm apenas alguns átomos de espessura, eles não derretem da maneira usual. Em vez de saltarem diretamente do sólido para o líquido, eles passam por um raro estado intermediário chamado “fase hexagonal”. Pela primeira vez, cientistas da Universidade de Viena observaram diretamente este processo em cristais de iodeto de prata (AgI) atomicamente finos.
- Para conseguir isso, os pesquisadores selaram uma única camada de iodeto de prata dentro de um “sanduíche de grafeno” protetor. Microscopia eletrônica avançada e redes neurais foram então usadas para rastrear como os átomos individuais se movem à medida que o cristal aquece e começa a derreter.
- Esta abordagem revela um resultado claro. Dentro de uma faixa de temperatura muito estreita (cerca de 25 °C abaixo do ponto de fusão do AgI), o cristal entra em uma fase hexagonal única que existe entre o sólido e o líquido.
- A equipe também descobriu uma reviravolta inesperada. Como prevê a teoria, a transição do sólido para o hexagonal ocorre gradualmente, enquanto a transição final do hexagonal para o líquido ocorre repentinamente, semelhante ao derretimento do gelo na água. Isso contradiz suposições de longa data sobre como os materiais bidimensionais derretem.
- Juntas, essas descobertas remodelam a compreensão dos cientistas sobre as transições de fase em materiais reais e fornecem uma base mais sólida para avanços futuros na ciência dos materiais, especialmente em escala atômica.
