Quando o gelo se transforma em água, a mudança é quase instantânea. À medida que a temperatura atinge o ponto de fusão, a estrutura sólida do gelo se decompõe em água líquida. Esta rápida mudança de sólido para líquido é comum aos materiais tridimensionais conhecidos.
Materiais extremamente finos se comportam de maneira muito diferente. Em vez de derreterem de uma só vez, eles podem passar por um estado intermediário incomum que fica entre o sólido e o líquido. Este estado raro é conhecido como fase hexática. Cientistas da Universidade de Viena observaram agora diretamente esta fase num cristal atomicamente fino, o que nunca foi confirmado antes.
Ao combinar microscopia eletrônica avançada com redes neurais, a equipe registrou um cristal de iodeto de prata protegido por camadas de grafeno. Esses materiais bidimensionais ultrafinos permitem aos pesquisadores ver o derretimento no nível de átomos individuais. Os resultados melhoram a compreensão científica de como as transições de fase funcionam em duas dimensões. As descobertas também contradizem expectativas teóricas de longa data e acabam de ser publicadas ciência.
Por que os materiais bidimensionais derretem de maneira diferente?
Nos materiais do dia a dia, o derretimento ocorre repentinamente. Uma vez atingida a temperatura de fusão, uma estrutura sólida ordenada transforma-se rapidamente num líquido desordenado. Este comportamento é compartilhado por metais, minerais, gelo e muitos outros materiais tridimensionais.
Quando um material é reduzido em cerca de duas ordens de grandeza, entretanto, a fusão segue um caminho diferente. Entre os estados sólido e líquido, pode aparecer uma fase intermediária distinta. Conhecida como fase hexática, este estado foi proposto pela primeira vez na década de 1970, mas tem sido difícil de confirmar em materiais reais.
Nesta fase, o material apresenta comportamento misto. O espaçamento entre as partículas torna-se irregular, como num líquido, enquanto os ângulos entre elas são parcialmente ordenados, propriedade geralmente associada aos sólidos. Esta combinação torna a fase hexática um estado híbrido com propriedades de ambos os tipos de materiais.
Materiais reais resolvem um mistério de longa data
Até agora, a fase hexática foi observada apenas em sistemas modelo simplificados, como esferas de poliestireno compactadas. Os cientistas não tinham certeza se os materiais do dia a dia mantidos juntos por fortes ligações químicas poderiam ter o mesmo comportamento.
Uma equipa de investigação internacional liderada pela Universidade de Viena respondeu agora a essa pergunta. Ao estudar cristais atomicamente finos de iodeto de prata (AgI), os pesquisadores conseguiram observar pela primeira vez a fase hexática diretamente no material fortemente ligado. Essa conquista resolve uma questão que está em aberto há décadas.
A descoberta confirma que esta fase indescritível pode ocorrer em cristais bidimensionais reais e revela novos detalhes sobre como funciona a fusão quando os materiais são reduzidos à espessura atômica.
Átomos fundidos dentro de um sanduíche de grafeno
Para observar este processo frágil, os pesquisadores projetaram uma configuração experimental especial. Uma única camada de iodeto de prata foi colocada entre duas folhas de grafeno, formando um “sanduíche” protetor. Essa estrutura evita o colapso do delicado cristal e ainda permite que ele derreta naturalmente.
A equipe então usou um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) equipado com um suporte de aquecimento para aumentar lentamente a temperatura da amostra acima de 1100 graus Celsius. Essa configuração possibilitou registrar o processo de fusão em tempo real e com resolução atômica.
Como a IA tornou possível o rastreamento em escala atômica
Rastrear o movimento de átomos individuais durante a fusão produz uma grande quantidade de dados. Segundo Kimo Mustonen, da Universidade de Viena, autor sênior do estudo, este trabalho não teria sido possível sem a inteligência artificial. “A menos que fossem utilizadas ferramentas de IA, como redes neurais, teria sido impossível rastrear todos esses átomos individuais”, explica ele.
Os pesquisadores treinaram sua rede neural usando grandes conjuntos de dados simulados. Depois de treinado, o sistema analisa milhares de imagens microscópicas de alta resolução geradas durante os testes.
Uma estreita janela de temperatura revela a fase hexática
A análise revelou um resultado interessante. Dentro de 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 espalhamento de elétrons confirmaram esse comportamento, fornecendo fortes evidências de que esse estado intermediário existe em materiais atomicamente finos e fortemente ligados.
Revise como o derretimento funciona em duas dimensões
A pesquisa também revelou comportamentos que desafiaram as teorias existentes. Modelos anteriores sugeriram que tanto as transições de sólido para hexático quanto de hexático para líquido deveriam ser graduais. Em vez disso, os investigadores descobriram que apenas a primeira transição seguiu este padrão.
Enquanto a transição do sólido para o hexático ocorre suavemente, a transição do hexático para o líquido ocorre repentinamente, como o gelo se transformando em água. “Isso sugere que a fusão é muito mais complexa em cristais bidimensionais covalentes”, diz David Lamprecht, da Universidade de Viena e da Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien).
Abrindo novos caminhos na física
A descoberta desafia décadas de suposições teóricas e abre novos rumos para o estudo do assunto na menor escala. Jani Kotakowski, chefe do grupo de pesquisa da Universidade de Viena, destacou 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.
criar raízes
- Quando os elementos têm apenas alguns átomos de espessura, eles não derretem da maneira normal. Em vez de saltarem diretamente do sólido para o líquido, eles passam por um raro estado intermediário chamado “fase hexática”. Cientistas da Universidade de Viena observaram agora este processo diretamente em cristais atomicamente finos de iodeto de prata (AgI) pela primeira vez.
- 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 e fundiam à medida que o cristal aquecia.
- Este método 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 entra em uma fase hexática distinta que existe entre o sólido e o líquido.
- A equipe também revelou uma reviravolta inesperada. Embora a mudança de sólido para hexático tenha ocorrido gradualmente, tal como a teoria previa, a transição final de hexático para líquido ocorreu repentinamente, como o gelo derretendo em água. Isso contradiz suposições de longa data sobre como os materiais bidimensionais deveriam derreter.
- Juntas, essas descobertas remodelam a compreensão dos cientistas sobre as transições de fase em materiais reais e fornecem uma base sólida para avanços futuros na ciência dos materiais, particularmente em escala atômica.
