Quando o gelo se transforma em água, a mudança é quase instantânea. Assim que a temperatura atinge o ponto de fusão, a estrutura rígida do gelo colapsa em água líquida. Uma transição tão rápida de sólido para líquido é típica de materiais tridimensionais familiares.
Materiais extremamente finos se comportam de maneira bem diferente. Em vez de derreterem de uma só vez, eles podem passar por um estado intermediário incomum que fica entre um sólido e um líquido. Esta condição rara é conhecida como fase hexática. Cientistas da Universidade de Viena observaram diretamente esta fase num cristal atomicamente fino, algo que nunca foi confirmado antes.
Ao combinar microscopia eletrônica avançada com redes neurais, a equipe registrou um cristal de iodeto de prata derretendo, protegido por camadas de grafeno. Esses materiais bidimensionais ultrafinos permitiram aos pesquisadores observar o derretimento no nível de átomos individuais. Os resultados melhoram muito a compreensão científica de como as transições de fase funcionam em duas dimensões. As descobertas também contradizem expectativas teóricas de longa data e são agora publicadas na revista Ciência.
Por que os materiais bidimensionais derretem de maneira diferente
Nos materiais do dia a dia, o derretimento ocorre abruptamente. Após atingir o ponto de fusão, a estrutura sólida ordenada rapidamente se transforma em um líquido desordenado. Esse comportamento é compartilhado por metais, minerais, gelo e muitas outras substâncias tridimensionais.
No entanto, quando o material é reduzido a quase duas dimensões, a fusão segue um caminho diferente. Uma fase intermediária distinta pode aparecer entre os estados sólido e líquido. Este estado, conhecido como fase hexática, foi proposto pela primeira vez na década de 1970, mas continua difícil de confirmar com materiais reais.
Nesta fase, o material apresenta um comportamento ambíguo. A distância entre as partículas torna-se irregular, semelhante a um líquido, enquanto os ângulos entre elas permanecem parcialmente ordenados, o que geralmente está associado aos sólidos. Esta 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 só foi observada em sistemas modelo 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.
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 hexática em um material altamente ligado pela primeira vez. Esta conquista resolve uma questão que permaneceu em aberto durante décadas.
A descoberta confirma que esta fase indescritível pode ocorrer em cristais bidimensionais reais e revela novos detalhes sobre como ocorre a fusão quando os materiais são reduzidos à espessura atômica.
Derretimento de átomos em um sanduíche de grafeno
Para observar este delicado processo, os pesquisadores desenvolveram uma configuração experimental especializada. Uma única camada de iodeto de prata foi imprensada entre duas folhas de grafeno, formando um “sanduíche” protetor. Essa estrutura evitou que o frágil cristal se quebrasse, mas ainda permitiu 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 permitiu que o processo de fusão fosse registrado em tempo real e com resolução atômica.
Como a inteligência artificial tornou possível o rastreamento em escala atômica
Rastrear o movimento de átomos individuais durante a fusão fornece uma enorme quantidade de dados. Segundo Kim Mustonen, da Universidade de Viena, autor sênior do estudo, esta tarefa não seria possível sem a inteligência artificial. “Sem o uso de ferramentas de inteligência artificial como redes neurais, seria impossível rastrear todos esses átomos individuais”, explica.
Os pesquisadores treinaram sua rede neural usando grandes conjuntos de dados simulados. Após o treinamento, o sistema analisou milhares de imagens microscópicas de alta resolução tiradas durante o experimento.
Uma janela estreita de temperatura indica a fase hexática
A análise mostrou um resultado surpreendente. Em uma pequena faixa de temperatura – cerca de 25°C abaixo do ponto de fusão do AgI – o cristal entrou em uma fase hexática bem definida. Medições adicionais de difração de elétrons confirmaram esse comportamento, fornecendo fortes evidências de que esse estado intermediário existe em materiais atomicamente finos com forte acoplamento.
Repensando como o derretimento funciona em duas dimensões
O estudo também encontrou comportamentos que desafiam a teoria existente. Os modelos anteriores presumiam que ambas as transições, de sólido para hexático e de hexático 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 hexático tenha ocorrido suavemente, a transição do hexático para o líquido ocorreu repentinamente, semelhante à transformação do gelo em água. “Isto sugere que a fusão em cristais covalentes 2D é muito mais complexa do que se pensava anteriormente”, diz David Lamprecht, da Universidade de Viena e da Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien), um dos principais autores do estudo, juntamente com Tui An Bui, também da Universidade de Viena.
Descoberta de 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 Katakoski, chefe da equipe de pesquisa da Universidade de Viena, enfatiza a importância do trabalho, dizendo: “Kimmo e seus colegas demonstraram mais uma vez quão poderosa a microscopia de resolução atômica pode ser”.
Além de melhorar a nossa compreensão da fusão em duas dimensões, a investigação também mostra como a microscopia avançada e a inteligência artificial podem trabalhar em conjunto 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 passarem imediatamente do sólido ao líquido, eles passam por um raro estado intermediário denominado “fase hexática”. Cientistas da Universidade de Viena observaram pela primeira vez esse processo diretamente 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 os átomos individuais se moviam à medida que o cristal esquentava e começava a derreter.
- Esta abordagem deu um resultado claro. Em 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 transição do sólido para o hexático ocorreu gradualmente, conforme previsto pela teoria, a transição final do hexático para o líquido ocorreu repentinamente, semelhante ao derretimento do gelo em água. Isso contradiz suposições de longa data sobre como os materiais bidimensionais deveriam derreter.
- Juntas, essas descobertas mudam 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.
