A forma como os materiais se solidificam é crucial em muitos processos naturais, como a mineralização, a formação de gelo e a dobra das fibrilas de proteína. A solidificação também é central para muitas tecnologias, desde farmacêuticos até indústrias baseadas em metais, incluindo aviação, construção e eletrônicos.

Imagens de Metal Fundido na 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 gotas de metal fundido em nanoescala enquanto se solidificavam. Seus achados foram publicados em 9 de dezembro na revista ACS Nano.

O professor Andrei Khlobystov, que liderou a equipe, disse: “Quando pensamos em matéria, geralmente consideramos três estados: gás, líquido e sólido. Enquanto o comportamento dos átomos em gases e sólidos é mais fácil de entender e descrever, os líquidos permanecem 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 chave em que um líquido começa a se 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 SALVE de baixa voltagem, 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, à medida que elas derretiam, seus átomos começaram a se mover rapidamente, como esperado. No entanto, para nossa surpresa, descobrimos que alguns átomos permaneceram estacionários.”

Análises adicionais mostraram que esses átomos estacionários estão fortemente ligados ao material de suporte em locais específicos chamados defeitos puntuais, e essa forte ligação persiste mesmo em temperaturas muito altas. Ao concentrar o feixe de elétrons em áreas selecionadas, a equipe conseguiu criar mais defeitos e, portanto, ajustar quantos átomos permaneceram fixos no local dentro do líquido.

Dualidade Onda-Partícula e um Novo Fase de Matéria

A professora Ute Kaiser, que estabeleceu o centro SALVE na Universidade de Ulm, afirmou: “Nossos experimentos nos surpreenderam ao 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 rajadas discretas de momento que podem mover ou, surpreendentemente, até fixar átomos na borda de um metal líquido. Essa observação notável nos permitiu descobrir uma nova fase da matéria.”

A mesma equipe de pesquisa já produziu filmes de reações químicas envolvendo moléculas únicas, incluindo a primeira gravação direta de uma ligação química se rompendo e se reformando em tempo real. Sua abordagem torna possível observar a química se desenrolar no nível de átomos individuais.

Corridos Atômicos e Crescimento Cristalino Interrompido

No novo estudo, os cientistas descobriram que átomos estacionários desempenham um papel poderoso na direção de como um líquido se torna 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 estão presos, eles interferem nesse processo e bloqueiam a formação de qualquer cristal.

O professor Andrei Khlobystov, da Universidade de Nottingham, disse: “O efeito é particularmente marcante quando átomos estacionários criam um anel que envolve o líquido. Uma vez que o líquido é aprisionado neste corral atômico, ele pode permanecer em estado líquido mesmo a temperaturas significativamente abaixo do seu ponto de congelamento, que para a platina pode ser tão baixo quanto 350 graus Celsius — mais de 1.000 graus abaixo do que é tipicamente esperado.”

Líquido Super-Resfriado Aprisionado e Metal Amorfos Instável

Se a temperatura for suficientemente baixa, o líquido aprisionado eventualmente se torna sólido, mas não em um cristal regular. 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. Assim que esse confinamento se quebra, a tensão acumulada é liberada e o metal se reorganiza em sua forma cristalina usual.

Estado Híbrido de Metal e Catálise

O Dr. Jesum Alves Fernandes, especialista em catálise na Universidade de Nottingham, disse: “A descoberta de um novo estado híbrido de metal é significativa. Como a platina em carbono é um dos catalisadores mais 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 maior atividade e longevidade.”

Rumo a Novas Formas de Matéria e Tecnologias Mais Limpas

Até agora, o confinamento em nanoescala só havia sido alcançado para fótons e elétrons; este estudo é a primeira demonstração de que os átomos podem ser confinados de maneira semelhante. O professor Andrei Khlobystov afirmou: “Nosso feito 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 ser capazes de construir corrais atômicos maiores e mais intrincados. Tal controle sobre metais raros pode levar a um uso mais eficiente desses materiais em tecnologias limpas, incluindo conversão de energia e armazenamento de energia.

Esse trabalho é financiado pela concessão do programa EPSRC ‘Átomos de metal em superfícies e interfaces (MASI) para um futuro sustentável.’