Um curioso estado intermediário da matéria é finalmente detectado

Materiais extremamente finos se comportam de maneira muito diferente. Em vez de derreter de uma vez, eles podem passar por um estado intermediário incomum que fica entre o sólido e o líquido. Essa condição rara é conhecida como fase hexática. Cientistas da Universidade de Viena agora observaram diretamente essa fase em um cristal atomicamente fino, algo que nunca havia sido confirmado antes.

Ao combinar microscopia eletrônica avançada com redes neurais, a equipe registrou um cristal de iodeto de prata enquanto derretia, protegido por camadas de grafeno. Esses materiais ultra-finos e bidimensionais permitiram que os pesquisadores assistissem ao derretimento em nível atômico. Os resultados melhoram significativamente a compreensão científica de como as transições de fase funcionam em duas dimensões. As descobertas também contradizem expectativas teóricas de longa data e foram publicadas na revista Science.

Por Que Materiais Bidimensionais Derretem de Forma Diferente

Em materiais do dia a dia, o derretimento acontece de forma abrupta. Uma vez alcançada a temperatura de fusão, uma estrutura sólida ordenada se transforma rapidamente em um líquido desordenado. Esse comportamento é compartilhado por metais, minerais, gelo e muitos outros substâncias tridimensionais.

Quando um material é reduzido para quase duas dimensões, no entanto, o derretimento segue um caminho diferente. Entre os estados sólido e líquido, pode aparecer uma fase intermediária distinta. Conhecida como fase hexática, esse estado foi proposto pela primeira vez na década de 1970, mas permaneceu difícil de confirmar em materiais reais.

Nesta fase, o material apresenta comportamento misto. O espaçamento entre as partículas torna-se irregular, semelhante a um líquido, enquanto os ângulos entre elas permanecem parcialmente ordenados, uma característica geralmente associada a sólidos. Essa combinação torna a fase hexática um estado híbrido com propriedades de ambas as formas de matéria.

Resolvendo um Mistério de Longa Data em Materiais Reais

Até agora, a fase hexática havia sido observada apenas em sistemas de modelos simplificados, como esferas de poliestireno compactadas. Os cientistas não tinham certeza se o mesmo comportamento poderia existir em materiais do dia a dia mantidos juntos por fortes ligações químicas.

A equipe de pesquisa internacional liderada pela Universidade de Viena agora respondeu a essa pergunta. Ao estudar cristais atomicamente finos de iodeto de prata (AgI), os pesquisadores conseguiram observar a fase hexática diretamente pela primeira vez em um material fortemente ligado. Essa conquista resolve uma questão que permaneceu em aberto por décadas.

A descoberta confirma que essa fase elusiva pode ocorrer em cristais bidimensionais reais e revela novos detalhes sobre como o derretimento ocorre quando os materiais são reduzidos à espessura atômica.

Derretendo Átomos Dentro de um Sanduíche de Grafeno

Para observar esse processo frágil, os pesquisadores projetaram uma configuração experimental especializada. Uma única camada de iodeto de prata foi colocada entre duas folhas de grafeno, formando um “sanduíche” protetor. Essa estrutura impediu que o delicado cristal colapsasse enquanto ainda permitia que ele derretesse naturalmente.

A equipe então usou um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) equipado com um suporte de aquecimento para aumentar gradualmente a temperatura da amostra acima de 1100 °C. Essa configuração tornou possível registrar o processo de derretimento em tempo real e com resolução atômica.

Como a IA Tornou o Rastreamento em Escala Atômica Possível

Rastrear o movimento de átomos individuais durante o derretimento gera uma quantidade enorme de dados. Segundo Kimmo Mustonen, da Universidade de Viena, autor sênior do estudo, essa tarefa não teria sido possível sem inteligência artificial. “Sem o uso de ferramentas de IA, como redes neurais, teria sido impossível rastrear todos esses átomos individuais”, explica.

Os pesquisadores treinaram sua rede neural usando grandes conjuntos de dados simulados. Uma vez treinado, o sistema analisou milhares de imagens de microscopia de alta resolução geradas durante o experimento.

Uma Janela de Temperatura Estreita Revela a Fase Hexática

A análise revelou um resultado marcante. Dentro de uma faixa de temperatura muito pequena – aproximadamente 25 °C abaixo do ponto de fusão do AgI – o cristal entrou em uma fase hexática claramente definida. Medições adicionais de difração eletrônica confirmaram esse comportamento, fornecendo fortes evidências de que esse estado intermediário existe em materiais atomically thin e fortemente ligados.

Repensando Como o Derretimento Funciona em Duas Dimensões

O estudo também revelou comportamentos que desafiam a teoria existente. Modelos anteriores sugeriam que ambas as transições, de sólido para hexático e de hexático para líquido, deveriam ocorrer gradualmente. Em vez disso, os pesquisadores descobriram que apenas a primeira transição seguiu esse padrão.

Enquanto a mudança de sólido para hexático ocorria suavemente, a mudança de hexático para líquido aconteceu de forma repentina, muito semelhante ao gelo se transformando em água. “Isso sugere que o derretimento em cristais bidimensionais covalentes é muito mais complexo 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 ao lado de 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 na Universidade de Viena, destaca a importância do trabalho, dizendo: “Kimmo e seus colegas demonstraram mais uma vez o quão poderosa pode ser a microscopia de resolução atômica.”

Além de melhorar nossa compreensão do derretimento em duas dimensões, o estudo também mostra como a microscopia avançada e a inteligência artificial podem trabalhar juntas para explorar novas fronteiras na ciência dos materiais.

Principais Conclusões

• Quando os materiais têm apenas alguns átomos de espessura, eles não derretem da maneira usual. Em vez de saltar diretamente de sólido para líquido, eles passam por um raro estado intermediário chamado ‘fase hexática’. Cientistas da Universidade de Viena observaram agora esse processo diretamente pela primeira vez em cristais atomicamente finos de iodeto de prata (AgI).
• Para tornar isso possível, 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 átomos individuais se moveram à medida que o cristal aquecia e começava a derreter.
• Essa abordagem revelou um resultado claro. Dentro de uma faixa de temperatura muito estreita, cerca de 25 °C abaixo do ponto de fusão do AgI, o cristal entrou em uma fase hexática distinta que existe entre o sólido e o líquido.
• A equipe também descobriu uma reviravolta inesperada. Enquanto a mudança de sólido para hexático ocorreu gradualmente, como a teoria previa, a transição final de hexático para líquido ocorreu de forma repentina, semelhante ao gelo derretendo em água. Isso contradiz suposições de longa data sobre como os materiais bidimensionais deveriam derreter.
• Essas descobertas reformulam a compreensão dos cientistas sobre transições de fase em materiais reais e fornecem uma base mais sólida para futuros avanços na ciência dos materiais, especialmente em escala atômica.