Os pesquisadores descobriram que, dentro de um líquido, nem todos os átomos se movem. Embora a temperatura seja muito alta, alguns átomos permanecem fixos no lugar. Esses átomos imóveis têm um grande efeito na forma como um líquido se transforma em sólido, criando um estado incomum conhecido como líquido super-resfriado em coral.
A forma como os materiais são solidificados é crucial em muitos processos naturais, como mineralização, formação de gelo e dobramento de fibrilas de proteínas. A solidificação também é fundamental para muitas tecnologias, desde produtos farmacêuticos até indústrias metalúrgicas, aviação, construção e eletrônica.
Imagens de metais fundidos em escala atômica
Para explorar como os sólidos se formam, cientistas da Universidade de Nottingham e da Universidade de Ulm, na Alemanha, usaram microscopia eletrônica de transmissão à medida que nanogotículas de metal fundido se solidificavam. Seus resultados foram publicados na revista em 9 de dezembro. ACS Nano.
“Quando pensamos na matéria, geralmente pensamos em três estados: gasoso, líquido e sólido. Embora o comportamento dos átomos em gases e sólidos seja fácil de entender e descrever, os líquidos são mais misteriosos”, disse o professor Andrei Khlobistov, que liderou a equipe.
Movimento complexo dentro do fluido
Nos líquidos, os átomos se movem de maneira complexa e aglomerada, como pessoas se acotovelando em uma rua movimentada. Eles passam um pelo outro em alta velocidade enquanto ainda interagem. Este movimento é especialmente difícil de estudar durante o momento crítico em que um líquido começa a solidificar, fase que define a composição do material e muitas de suas propriedades funcionais.
Dispositivo de teste e pomada de grafeno “hob”
Christopher List, que realizou o experimento de microscopia eletrônica de transmissão em Ulm usando o instrumento SALVE de baixa voltagem exclusivo, disse: “Começamos fundindo nanopartículas de metal como platina, ouro e paládio em um suporte atomicamente fino – grafeno. Usamos grafeno como esse tipo de calor, e eles usaram grafeno para esse processo. Os átomos começaram a se mover mais rápido do que o esperado, no entanto, para nossa surpresa. Descobrimos que alguns átomos estavam estacionários. “
Análises posteriores mostraram que estes átomos fixos estão fortemente ligados ao material de suporte em locais específicos chamados defeitos pontuais, e que esta forte ligação persiste mesmo a temperaturas muito elevadas. Ao focar o feixe de elétrons em áreas selecionadas, a equipe pode criar mais defeitos e, portanto, ajustar quantos átomos estão presos no líquido.
Dualidade onda-partícula e uma nova fase da matéria
O professor Ute Kaiser, fundador do Centro SALVE da Universidade de Ulm, disse: “Nossos experimentos nos surpreenderam porque 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, podem explodir discretamente ou até mesmo explodir momentaneamente. Esta extraordinária observação na borda de um metal líquido 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 quebra e reforma de uma ligação química em tempo real. A sua abordagem torna possível ver a química desdobrar-se ao nível dos átomos individuais.
Corais nucleares e crescimento interrompido de cristais
Numa nova investigação, os cientistas descobriram que os átomos estacionários desempenham um papel poderoso na determinação da forma como um líquido se solidifica. Quando apenas alguns átomos estão presos, um cristal pode crescer a partir do líquido e expandir-se até que toda a nanopartícula esteja sólida. Por outro lado, quando há muitos átomos no lugar, eles interferem nesse processo e evitam qualquer formação de cristais.
“A reação é particularmente interessante quando os átomos estacionários formam um anel ao redor do líquido”, disse o professor Andrei Khlobistov, da Universidade de Nottingham. “Uma vez que o líquido fica preso neste coral atômico, ele pode permanecer líquido mesmo em temperaturas bem abaixo do seu ponto de congelamento, que pode ser inferior a 3 graus Celsius para a platina. 1.000 graus abaixo do que normalmente é esperado.”
Líquidos super-resfriados coralizados e metais amorfos instáveis
Se a temperatura for suficientemente baixa, o líquido coralificado eventualmente solidifica, mas não cristaliza regularmente. Em vez disso, torna-se um sólido amorfo, uma forma de metal sem uma estrutura cristalina ordenada. Este metal amorfo é altamente instável e existe apenas enquanto átomos estáveis o confinam. Uma vez que essa restrição é quebrada, a tensão acumulada é liberada e o metal se reorganiza em sua forma cristalina normal.
Estados de metais híbridos e catálise
“A descoberta de um novo estado híbrido de metal é significativa. Como a platina sobre carbono é um dos catalisadores mais amplamente utilizados em todo o mundo, encontrar um estado líquido confinado com comportamento de fase não clássico pode mudar nossa compreensão de como os catalisadores funcionam com melhorias no design desses autocatalisadores, atividade e longevidade, “disse o especialista em catálise Dr. Jessum Alves Fernandes, da Universidade de Nottingham.
Rumo a novas formas de matéria e tecnologias mais limpas
Até agora, o coraling em nanoescala só foi alcançado para fótons e elétrons; Este estudo é a primeira demonstração de que os átomos podem ser combinados de maneira semelhante. “Nossa conquista poderia inaugurar uma nova forma de matéria, combinando as propriedades de sólidos e líquidos no mesmo material”, disse o professor Andrei Khlobistov.
Os pesquisadores sugerem que, ao organizar cuidadosamente as posições dos átomos fixados na superfície, eles poderão criar corais atômicos maiores e mais complexos. Esse 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 foi financiado por uma subvenção do programa EPSRC para um futuro sustentável ‘Átomos Metálicos em Superfícies e Interfaces (MASI).’
