Pesquisadores descobriram que, dentro de um líquido, nem todos os átomos estão em movimento. Alguns átomos permanecem fixos no lugar mesmo quando a temperatura está bastante alta. Esses átomos imóveis têm um efeito significativo sobre a forma como um líquido se transforma em sólido, incluindo a criação de um estado de matéria incomum conhecido como líquido superresfriado confinado.
A maneira como os materiais solidificam é crucial em muitos processos naturais, como a mineralização, a formação de gelo e a dobra de fibrilas de proteína. A solidificação também é central para muitas tecnologias, desde produtos farmacêuticos até indústrias baseadas em metais, incluindo aviação, construção e eletrônicos.
Imaginando Metal Fundido em Escala Atômica
Para explorar como os sólidos se formam, cientistas da Universidade de Nottingham e da Universidade de Ulm na Alemanha utilizaram microscopia eletrônica de transmissão para observar nanogotas de metal fundido enquanto solidificavam. Suas descobertas foram publicadas em 9 de dezembro na revista ACS Nano.
O professor Andrei Khlobystov, que liderou a equipe, disse: “Quando pensamos em matéria, normalmente pensamos em três estados: gás, líquido e sólido. Enquanto o comportamento dos átomos em gases e sólidos é mais fácil de entender e descrever, os líquidos continuam mais misteriosos.”
Movimento Complexo Dentro dos Líquidos
Nos líquidos, os átomos se movem de maneira complicada e apinhada, semelhante a pessoas se esbarrando em uma rua movimentada. Eles passam rapidamente uns pelos outros enquanto ainda interagem. Esse movimento é especialmente difícil de estudar durante o momento crucial em que um líquido começa a solidificar, uma etapa que define a estrutura do material e muitas de suas propriedades funcionais.
Experimentos com “Hob” de Grafeno e o Instrumento SALVE
O Dr. Christopher Leist, que realizou experimentos de microscopia eletrônica de transmissão em Ulm usando o exclusivo instrumento de baixo voltagem SALVE, disse: “Começamos derretendo nanopartículas de metal, como platina, ouro e paládio, depositadas em um suporte atomicamente fino – grafeno. Usamos o grafeno como uma espécie de hob para esse processo de aquecimento das partículas, e quando elas derretiam, seus átomos começavam a se mover rapidamente, como esperado. No entanto, para nossa surpresa, descobrimos que alguns átomos permaneciam estacionários.”
Análises adicionais mostraram que esses átomos estacionários estão fortemente conectados ao material de suporte em locais específicos chamados de defeitos pontuais, e essa ligação forte persiste mesmo em temperaturas muito altas. Concentrando o feixe de elétrons em áreas selecionadas, a equipe pôde criar mais defeitos e, portanto, ajustar quantos átomos permaneciam fixos dentro do líquido.
Dualidade Onda-Partícula e um Novo Estado da Matéria
A professora Ute Kaiser, que estabeleceu o centro SALVE na Universidade de Ulm, disse: “Nossos experimentos nos surpreenderam à medida que observamos diretamente a dualidade onda-partícula dos elétrons no feixe de elétrons. Visualizamos o material usando elétrons como ondas. Ao mesmo tempo, os elétrons se comportam como partículas, entregando explosões discretas de momento que podem mover ou, surpreendentemente, até fixar átomos na borda de um metal líquido. Esta observação notável nos permitiu descobrir um novo estado da matéria.”
A mesma equipe de pesquisadores havia produzido anteriormente filmes de reações químicas envolvendo moléculas únicas, incluindo a primeira gravação direta de uma ligação química quebrando e se reformando em tempo real. Sua abordagem torna possível observar a química se desenrolar no nível de átomos individuais.
Corais Atômicos e Crescimento Cristalino Interrompido
No novo estudo, os cientistas descobriram que átomos estacionários desempenham um papel fundamental na direção de como um líquido se transforma em sólido. Quando apenas alguns átomos estão fixos, um cristal pode crescer a partir do líquido e continuar a se expandir até que toda a nanopartícula se torne sólida. Em contraste, quando muitos átomos ficam fixos, eles interferem nesse processo e bloqueiam a formação de qualquer cristal.
O professor Andrei Khlobystov, da Universidade de Nottingham, disse: “O efeito é particularmente impressionante quando átomos estacionários criam um anel que envolve o líquido. Uma vez que o líquido é preso nesse coral atômico, ele pode permanecer em estado líquido mesmo em temperaturas significativamente abaixo do seu ponto de congelamento, que para a platina pode ser tão baixo quanto 350 graus Celsius – isso é mais de 1.000 graus abaixo do que normalmente se espera.”
Líquido Superresfriado Confinado e Metal Amórfico Instável
Se a temperatura for suficientemente reduzida, o líquido confinado eventualmente se transforma em sólido, mas não em um cristal comum. Em vez disso, torna-se um sólido amorfo, uma forma de metal sem a estrutura ordenada de um cristal. Esse metal amorfo é altamente instável e existe apenas enquanto os átomos estacionários continuarem a confiná-lo. Uma vez que esse confinamento se quebra, a tensão acumulada é liberada e o metal se rearranja em sua forma cristalina usual.
Estado Híbrido de Metal e Catálise
O Dr. Jesum Alves Fernandes, especialista em catálise da Universidade de Nottingham, disse: “A descoberta de um novo estado híbrido de metal é significativa. Como a platina sobre carbono é um dos catalisadores mais amplamente utilizados globalmente, encontrar um estado líquido confinado com comportamento de fase não clássica pode mudar nossa compreensão de como os catalisadores funcionam. Esse avanço pode levar ao design de catalisadores autolimpantes com atividade e longevidade melhoradas.”
Rumo a Novas Formas de Matéria e Tecnologias Mais Limpa
Até agora, o confinamento em escala nanométrica somente foi alcançado para fótons e elétrons; este estudo é a primeira demonstração de que os próprios átomos podem ser confinados de maneira semelhante. O professor Andrei Khlobystov disse: “Nossa conquista pode anunciar uma nova forma de matéria que combina características de sólidos e líquidos no mesmo material.”
Os pesquisadores sugerem que, ao organizar cuidadosamente as posições dos átomos fixos em uma superfície, podem conseguir construir corais atômicos maiores e mais intrincados. Tal controle sobre metais raros poderia levar a um uso mais eficiente desses materiais em tecnologias limpas, incluindo conversão de energia e armazenamento de energia.
Este trabalho é financiado pela concessão do programa EPSRC ‘Átomos de metal em superfícies e interfaces (MASI) para um futuro sustentável.’