Um estranho estado intermediário da matéria é finalmente observado

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. Esta condição rara é conhecida como fase hexática. Cientistas da Universidade de Viena observaram agora diretamente esta fase num cristal atomicamente fino, algo que nunca tinha sido confirmado antes.

Ao combinar microscopia eletrônica avançada com redes neurais, a equipe registrou um cristal de iodeto de prata derretendo enquanto era protegido por camadas de grafeno. Esses materiais bidimensionais ultrafinos permitiram aos pesquisadores observar o desenrolar do derretimento no nível dos 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 foram agora publicadas no Ciência.

Por que os materiais bidimensionais derretem de maneira diferente

Nos materiais do dia a dia, o derretimento acontece abruptamente. Uma vez atingida a temperatura de fusão, uma estrutura sólida ordenada rapidamente se transforma em um líquido desordenado. Esse comportamento é compartilhado por metais, minerais, gelo e muitas outras substâncias tridimensionais.

Quando um material é reduzido a quase duas dimensões, 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 permaneceu difícil de confirmar em materiais reais.

Nesta fase, o material apresenta comportamento misto. O espaçamento entre as partículas torna-se irregular, semelhante a um líquido, enquanto os ângulos entre elas permanecem parcialmente ordenados, característica geralmente associada 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 tinha sido 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.

A 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 a fase hexática diretamente pela primeira vez em um material fortemente ligado. 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 funciona a fusão quando os materiais são reduzidos à espessura atômica.

Derretimento de átomos dentro de um sanduíche de grafeno

Para observar este processo frágil, os pesquisadores projetaram uma configuração experimental especializada. Uma única camada de iodeto de prata foi colocada entre duas folhas de grafeno, formando um “sanduíche” protetor. Essa estrutura evitou o colapso do delicado cristal, ao mesmo tempo que 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 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 enorme quantidade de dados. Segundo Kimmo Mustonen, da Universidade de Viena, autor sênior do estudo, esta tarefa não teria sido possível sem a inteligência artificial. “Sem o uso de 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. Uma vez treinado, o sistema analisou milhares de imagens microscópicas de alta resolução geradas durante o experimento.

Uma janela estreita de temperatura revela a fase hexática

A análise revelou um resultado surpreendente. Dentro de uma pequena faixa de temperatura – aproximadamente 25 °C abaixo do ponto de fusão do AgI – o cristal entrou em uma fase hexática claramente definida. Medições adicionais de difração de elétrons confirmaram esse comportamento, fornecendo fortes evidências de que esse estado intermediário existe em materiais atomicamente finos e fortemente ligados.

Repensando como funciona o derretimento em duas dimensões

O estudo também revelou um comportamento que desafia a teoria existente. Modelos anteriores sugeriam 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 mudança de sólido para hexático tenha ocorrido suavemente, a mudança de hexático para líquido aconteceu repentinamente, como o gelo se transformando em água. “Isso sugere que a fusão em cristais bidimensionais covalentes 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 ao lado de Thuy An Bui, também da Universidade de Viena.

Abrindo 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 Kotakoski, chefe do grupo de pesquisa da Universidade de Viena, destaca 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, o estudo também mostra como a microscopia avançada e a inteligência artificial podem trabalhar juntas 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 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 pela primeira vez 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 aquecia e começava a derreter.
• Esta abordagem 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 entrou em uma fase hexática distinta que existe entre o sólido e o líquido.
• A equipe também descobriu uma reviravolta inesperada. Embora a mudança de sólido para hexático tenha acontecido gradualmente, tal como a teoria previa, a transição final de hexático para 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 remodelam 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.