Pesquisadores da Universidade Brown e da Universidade de Michigan alcançaram o que os cientistas apenas imaginavam até agora. Ao organizar cuidadosamente minúsculas partículas de prata em estruturas especiais, eles criaram e estabilizaram um estado de matéria anteriormente indescritível que existia apenas em modelos teóricos.
O trabalho publicado em Ciênciacaptura o estado estrutural intermediário que aparece durante a transformação entre os dois cristais comuns encontrados nos metais. Além de revelar novos detalhes sobre como essas transformações ocorrem, o material recém-criado exibe um comportamento óptico incomum que poderá eventualmente ser útil para a computação quântica e outras tecnologias de informação quântica.
De forma mais ampla, o estudo demonstra uma nova estratégia para o desenvolvimento de materiais de baixo para cima, reunindo nanopartículas feitas sob medida em estruturas inteiramente novas com propriedades individuais.
“Nosso trabalho é como crianças brincando com peças de LEGO”, disse Ou Chen, professor assistente de química na Brown e autor correspondente do estudo. “Sintetizamos blocos de construção únicos em nanoescala e os montamos em estruturas interessantes. Neste caso, fomos capazes de estabilizar essas estruturas teoricamente transitórias e demonstrar importantes propriedades ópticas quânticas.”
Capturando a etapa que faltava nas transformações de cristal
Muitos materiais metálicos organizam naturalmente seus átomos em uma das duas estruturas cristalinas conhecidas como cúbica de face centrada (FCC) e cúbica de corpo centrado (BCC).
Na estrutura FCC, as partículas são compactadas o mais firmemente possível. Eles ocupam cada canto do cubo, bem como o centro de cada face. A estrutura CCC é ligeiramente menos densa, com partículas localizadas nos cantos do cubo e uma partícula no centro do próprio cubo.
Alguns metais podem alternar entre esses mecanismos quando aquecidos. Por exemplo, o ferro muda de uma estrutura BCC para uma estrutura FCC a 912 graus Celsius.
Os cientistas propuseram várias explicações sobre como ocorre essa transformação. Um modelo líder, conhecido como via Nishiyama-Wasserman, prevê uma série de estruturas intermediárias de curta duração que se formam durante a transição. Como essas fases intermediárias são altamente instáveis, tem sido extremamente difícil observá-las diretamente.
Este novo estudo conseguiu recriar e estabilizar estes estados estruturais transitórios utilizando nanopartículas de prata.
“Os cientistas de materiais têm se preocupado em saber como controlar a quantidade de FCC e BCC em seus metais há muito tempo, mas as transições entre essas fases têm sido difíceis de estudar porque são muito instáveis”, disse Tim Moore, coautor do estudo e cientista assistente de pesquisa que trabalha no laboratório de Sharon Glotzer na Universidade de Michigan. “Ser capaz de observar essas estruturas é um avanço fundamental na ciência dos materiais e nos dá maior controle sobre o projeto de nanomateriais”.
Criação de novos materiais a partir de nanopartículas personalizadas
Para criar as novas estruturas, os pesquisadores sintetizaram nanopartículas de prata na forma de octaedros truncados, que chamam de “mecons”. Essas partículas se assemelham a um formato de diamante com cantos truncados, criando uma geometria de 14 lados.
Segundo Chen, a forma é particularmente útil porque fica entre uma esfera e um cubo, duas formas que naturalmente se encaixam de maneiras diferentes.
A equipe, liderada pelo cientista pesquisador sênior e autor principal do estudo Yasutaka Nagaoka, ajustou as condições de aquecimento durante a síntese para produzir mecones com vários graus de redondeza e características semelhantes a cubos. Eles então revestiram as partículas com longas cadeias moleculares que atuaram como conectores pegajosos e permitiram que elas se reunissem em estruturas maiores e ordenadas, conhecidas como superredes de nanopartículas.
Ao combinar observações laboratoriais com simulações computacionais detalhadas conduzidas em colaboração com o grupo de Glotzer na Universidade de Michigan, os pesquisadores descobriram que esses revestimentos moleculares desempenham um papel crítico na estabilização de mecanismos que correspondem às estruturas de transição previstas pela via Nishiyama-Wasserman.
“Você pode pensar neles como partículas peludas”, disse Moore. “Os fios são flexíveis o suficiente para permitir que as partículas se movam mais livremente, mas também se ajustam bem, permitindo que as partículas se unam”.
Efeitos ópticos quânticos à temperatura ambiente
Superredes de prata recentemente montadas demonstraram outra propriedade notável quando expostas à luz.
Os pesquisadores notaram sinais de forte acoplamento luz-matéria, um fenômeno no qual os elétrons dentro das nanopartículas de prata oscilam em completa sincronia com as ondas de luz e se tornam emaranhados mecanicamente quântica.
Esses tipos de efeitos ópticos quânticos são frequentemente associados a temperaturas extremamente baixas. No entanto, o novo material parece apresentar tal comportamento à temperatura ambiente.
A descoberta poderá formar a base para o desenvolvimento de futuros materiais utilizados na computação quântica, tecnologia de sensores e outros sistemas quânticos avançados.
“Cada vez que você identificar uma nova fase da matéria, haverá novas aplicações”, disse Chen.
Esta pesquisa foi apoiada por inúmeras doações da National Science Foundation (DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 2138259, 2138286, 2138307, 2137603, 2138296) e o Departamento de Energia (DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975).
