Pesquisadores detectam átomos parados dentro de metal fundido

A forma como os materiais se solidificam é crucial em muitos processos naturais, como a mineralização, a formação de gelo e o dobramento de fibrilas proteicas. A solidificação também é fundamental para muitas tecnologias, desde farmacêuticas até indústrias metalúrgicas, incluindo aviação, construção e eletrônica.

Imagens de metal fundido 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 para observar nanogotículas de metal fundido à medida que se solidificavam. Suas descobertas foram publicadas em 9 de dezembro na revista ACS Nano.

O professor Andrei Khlobystov, que liderou a equipe, disse: “Quando consideramos a matéria, normalmente 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 misteriosos.”

Movimento complexo dentro de líquidos

Nos líquidos, os átomos se movem de maneira complicada e aglomerada, semelhante a 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 chave em que um líquido começa a solidificar, uma fase que define a estrutura do material e muitas das suas propriedades funcionais.

Experimentos “Hob” de grafeno e o instrumento SALVE

Christopher Leist, que realizou experimentos 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, depositadas em um suporte atomicamente fino – grafeno. Usamos o grafeno como uma espécie de placa para esse processo para aquecer as partículas e, à medida que derreteram, seus átomos começaram a se mover rapidamente, como esperado. No entanto, para nossa surpresa, descobrimos que alguns átomos permaneceu estacionário.”

Análises posteriores mostraram que estes átomos estacionários estão fortemente ligados ao material de suporte em locais específicos chamados defeitos pontuais, e esta forte ligação persiste mesmo em temperaturas muito altas. Ao concentrar o feixe de elétrons em áreas selecionadas, a equipe poderia criar mais defeitos e, portanto, ajustar quantos átomos permaneciam presos no líquido.

Dualidade onda-partícula e uma nova fase da matéria

O professor Ute Kaiser, que estabeleceu o centro SALVE na Universidade de Ulm, disse: “Nossos experimentos nos surpreenderam ao observarmos 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, fornecendo explosões discretas de momento que podem se mover ou, surpreendentemente, até fixar átomos na borda de um metal líquido. Esta observação notável nos permitiu descobrir uma nova fase da matéria. “

A mesma equipe de pesquisa já produziu filmes de reações químicas envolvendo moléculas únicas, incluindo o primeiro registro direto da quebra e reforma de uma ligação química em tempo real. A sua abordagem torna possível observar o desenvolvimento da química ao nível dos átomos individuais.

Currais Atômicos e Crescimento Interrompido de Cristais

No novo estudo, os cientistas descobriram que os átomos estacionários desempenham um papel poderoso no direcionamento de como um líquido se torna sólido. Quando apenas alguns átomos estão presos, um cristal pode crescer a partir do líquido e continuar a expandir-se até que toda a nanopartícula se torne sólida. Em contraste, quando muitos átomos são mantidos no lugar, eles interferem nesse processo e bloqueiam a formação de qualquer cristal.

O professor Andrei Khlobystov, da Universidade de Nottingham, disse: “O efeito é particularmente impressionante quando átomos estacionários criam um anel que envolve o líquido. Uma vez que o líquido fica preso neste curral atômico, ele pode permanecer no estado líquido mesmo em temperaturas significativamente abaixo de seu ponto de congelamento, que para a platina pode ser tão baixo quanto 350 graus Celsius – isso é mais de 1.000 graus abaixo do que normalmente é esperado. “

Líquido super-resfriado encurralado e metal amorfo instável

Se a temperatura for reduzida o suficiente, o líquido encurralado eventualmente se tornará sólido, mas não em um cristal normal. Em vez disso, torna-se um sólido amorfo, uma forma de metal sem a estrutura ordenada de um cristal. Este metal amorfo é altamente instável e existe apenas enquanto os átomos estacionários continuam a confiná-lo. Uma vez rompido esse confinamento, a tensão acumulada é liberada e o metal se reorganiza em sua forma cristalina usual.

Estado de metal híbrido e catálise

Jesum Alves Fernandes, especialista em catálise da Universidade de Nottingham, disse: “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. Este avanço pode levar ao projeto de catalisadores autolimpantes com atividade e longevidade aprimoradas. “

Rumo a novas formas de matéria e tecnologias mais limpas

Até agora, o encurralamento em nanoescala só foi alcançado para fótons e elétrons; este estudo é a primeira demonstração de que os próprios átomos podem ser encurralados de maneira semelhante. O professor Andrei Khlobystov disse: “Nossa conquista pode anunciar uma nova forma de matéria combinando características de sólidos e líquidos no mesmo material”.

Os pesquisadores sugerem que, ao organizar cuidadosamente as posições dos átomos fixados em uma superfície, eles poderão construir currais atômicos maiores e mais intrincados. Esse controlo sobre os metais raros poderia levar a uma utilização mais eficiente destes materiais em tecnologias limpas, incluindo a conversão e o armazenamento de energia.

Este trabalho é financiado pelo programa EPSRC Grant ‘Átomos metálicos em superfícies e interfaces (MASI) para um futuro sustentável.’