Os pesquisadores descobriram que nem todos os átomos se movem dentro do líquido. Alguns átomos permanecem no lugar mesmo quando a temperatura está muito alta. Esses átomos imóveis têm um grande efeito na forma como o líquido se transforma em sólido, incluindo a criação de um estado incomum da matéria conhecido como líquido super-resfriado.
A forma como os materiais se solidificam é crítica em muitos processos naturais, como mineralização, formação de gelo e dobramento de fibrilas de proteínas. A solidificação também é fundamental para muitas tecnologias, desde a indústria farmacêutica à indústria metalúrgica, incluindo aeroespacial, construção e eletrónica.
Imagem em escala atômica de metal fundido
Para investigar como os sólidos se formam, cientistas das Universidades de Nottingham e Ulm, na Alemanha, usaram microscopia eletrônica de transmissão para observar as nanogotículas de metal fundido à medida que se solidificavam. Seus resultados foram publicados em 9 de dezembro na revista ACS Nano.
O professor Andrei Khlobistov, que liderou a equipe, disse: “Quando consideramos a matéria, geralmente pensamos em três estados: gás, líquido e sólido. Embora o comportamento dos átomos em gases e sólidos seja mais fácil de compreender e descrever, os líquidos permanecem mais enigmáticos.”
Movimento complexo em fluidos
Nos líquidos, os átomos se movem de maneira complexa e aglomerada, semelhante a pessoas se acotovelando em uma rua movimentada. Eles passam um pelo outro em alta velocidade, continuando a interagir. Este movimento é particularmente difícil de estudar no momento chave quando o líquido começa a solidificar, uma etapa que determina a estrutura do material e muitas das suas propriedades funcionais.
Experimentos com grafeno “Hob” e o instrumento SALVE
Christopher Leist, que realizou os experimentos de microscopia eletrônica de transmissão em Ulm usando o instrumento SALVE exclusivo de baixa tensão, disse:”Começamos fundindo nanopartículas metálicas como platina, ouro e paládio depositadas em um suporte atomicamente fino – grafeno. Usamos o grafeno como uma espécie de placa para este processo para aquecer as partículas, e à medida que derreteram, seus átomos começaram a se mover rapidamente, como No entanto, para nossa surpresa, descobrimos que alguns átomos permaneceram estacionários.’
Análises posteriores revelaram que estes átomos imóveis estão fortemente ligados ao material de suporte em locais específicos chamados defeitos pontuais, e esta forte ligação persiste mesmo a temperaturas muito elevadas. Ao focar o feixe de elétrons em áreas selecionadas, a equipe poderia criar mais defeitos e assim controlar quantos átomos permaneciam ancorados no líquido.
Dualidade partícula-onda e uma nova fase da matéria
O professor Ute Kaiser, que criou o centro SALVE na Universidade de Ulm, disse:”Nossos experimentos nos surpreenderam porque observamos diretamente a dualidade onda-partícula dos elétrons em um feixe de elétrons. Visualizamos o material usando elétrons como ondas. Ao mesmo tempo, os elétrons se comportam como partículas, fornecendo explosões discretas de momento que podem se mover ou, surpreendentemente, até fixar átomos na borda do líquido. Esta observação notável nos permitiu descobrir uma nova fase da matéria. “
A mesma equipe de pesquisa produziu anteriormente filmes de reações químicas envolvendo moléculas únicas, incluindo a primeira gravação direta da quebra e reforma de ligações químicas em tempo real. A sua abordagem permite observar como a química se desenvolve ao nível dos átomos individuais.
Currais atômicos e distúrbio de crescimento de cristais
Num novo estudo, os cientistas descobriram que os átomos imóveis desempenham um papel importante no controle de como um líquido se transforma em sólido. Se apenas alguns átomos estiverem ligados, um cristal pode crescer a partir do líquido e continuar a expandir-se até que toda a nanopartícula esteja sólida. Pelo contrário, se muitos átomos forem mantidos no lugar, eles interferem neste processo e geralmente bloqueiam a formação de qualquer cristal.
O professor Andrei Khlobistov, da Universidade de Nottingham, disse: “O efeito é particularmente impressionante quando os átomos estacionários formam um anel que envolve o líquido. Uma vez que o líquido está neste invólucro atômico, ele pode permanecer líquido mesmo em temperaturas bem abaixo do ponto de congelamento, que para a platina pode chegar a 350 graus Celsius – mais de 1.000 graus abaixo do normal.” esperado”.
Líquido super-resfriado arrastado e metal amorfo instável
Se a temperatura for reduzida o suficiente, o líquido aprisionado eventualmente se transforma em um sólido, mas não em um cristal normal. Em vez disso, torna-se um sólido amorfo, uma forma de metal sem uma estrutura cristalina ordenada. Este metal amorfo é muito instável e existe apenas enquanto é sustentado por átomos imóveis. Uma vez quebrada esta restrição, a tensão acumulada é liberada e o metal reverte à sua forma cristalina normal.
Estado metálico híbrido e catálise
Hesum Alves Fernandes, especialista em catálise da Universidade de Nottingham, disse: “A descoberta de um novo estado metálico híbrido é importante. Como a platina sobre carbono é um dos catalisadores mais utilizados em todo o mundo, encontrar um estado líquido confinado com comportamento de fase não clássico pode mudar a nossa compreensão de como funcionam os catalisadores. Este progresso pode levar ao desenvolvimento de catalisadores autolimpantes com atividade e longevidade melhoradas”.
Rumo a novas formas de matéria e tecnologias mais limpas
Até agora, a correspondência em nanoescala só foi alcançada para fótons e elétrons; esta pesquisa é a primeira demonstração de que os próprios átomos podem ser montados de maneira semelhante. O professor Andrei Khlobistov disse: “Nossa conquista pode anunciar uma nova forma de matéria que combina as características de sólidos e líquidos em um único material”.
Os investigadores acreditam que, ao organizar cuidadosamente as posições dos átomos ancorados na superfície, podem construir invólucros atómicos maiores e mais complexos. Este controlo sobre os metais raros pode levar a uma utilização mais eficiente destes materiais em tecnologias limpas, incluindo a conversão e o armazenamento de energia.
Este trabalho é financiado por uma bolsa do programa EPSRC Metal Atoms at Surfaces and Interfaces (MASI) para um Futuro Sustentável.
