Pesquisadores descobriram que nem todos os átomos em um líquido estão em movimento e que alguns permanecem estacionários independentemente da temperatura, impactando significativamente o processo de solidificação, incluindo a formação de um estado incomum da matéria — um líquido super-resfriado confinado.

A formação de sólidos é essencial em diversos processos naturais, incluindo mineralização, formação de gelo e dobramento de fibrilas proteicas. Ela também desempenha um papel significativo em aplicações tecnológicas, como na indústria farmacêutica e em setores que utilizam metais, como aviação, construção civil e eletrônica.

Cientistas da Universidade de Nottingham e da Universidade de Ulm, na Alemanha, utilizaram microscopia eletrônica de transmissão para obter imagens dos processos de solidificação de nanogotas de metal fundido. Este estudo foi publicado na revista ACS Nano .

O professor Andrei Khlobystov, que liderou a equipe, disse: "Quando consideramos a matéria, normalmente pensamos em três estados: gasoso, líquido e sólido. Embora o comportamento dos átomos em gases e sólidos seja mais fácil de entender e descrever, os líquidos permanecem mais misteriosos."

Os átomos nos líquidos movem-se de forma complexa, assemelhando-se a uma multidão de pessoas em constante movimento. Eles passam uns pelos outros de forma constante e rápida, enquanto interagem entre si.

Estudar o comportamento dos átomos em líquidos pode ser desafiador, especialmente durante a fase crítica em que o líquido começa a solidificar. Essa fase é crucial porque determina a estrutura e muitas das propriedades funcionais do material.

O Dr. Christopher Leist, que realizou experimentos de microscopia eletrônica de transmissão em Ulm usando o instrumento exclusivo de baixa voltagem SALVE , disse: "Começamos fundindo nanopartículas metálicas, como platina, ouro e paládio, depositadas em um suporte atomicamente fino — o grafeno. Usamos o grafeno como uma espécie de placa de aquecimento para esse processo, para aquecer as partículas, e à medida que derretiam, seus átomos começaram a se mover rapidamente, como esperado. No entanto, para nossa surpresa, descobrimos que alguns átomos permaneceram estacionários."

Os pesquisadores descobriram que os átomos estacionários estão fortemente ligados ao material de suporte em locais de defeitos pontuais, mesmo em temperaturas muito altas. Eles conseguiram aumentar o número de defeitos focando o feixe de elétrons e, assim, controlar o número de átomos estacionários dentro do líquido.

A professora Ute Kaiser, que fundou o centro SALVE na Universidade de Ulm, afirmou: "Nossos experimentos nos surpreenderam, pois 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, liberando pulsos discretos de momento que podem mover ou, surpreendentemente, até mesmo fixar átomos na borda de um metal líquido. Essa observação notável nos permitiu descobrir uma nova fase da matéria."

A equipe já havia relatado vídeos de reações químicas envolvendo moléculas individuais , incluindo o primeiro caso de quebra e formação de uma ligação química em tempo real. Seu método permite a observação da química em nível atômico.

Neste estudo, os pesquisadores descobriram que os átomos estacionários influenciam o processo de solidificação. Quando há um pequeno número deles, um cristal se forma diretamente a partir do líquido e continua a crescer até que toda a partícula se solidifique. No entanto, quando o número de átomos estacionários é alto, o processo de solidificação é significativamente interrompido, impedindo a formação de qualquer cristal.

O professor Andrei Khlobystov, da Universidade de Nottingham, afirmou: "O efeito é particularmente impressionante quando átomos estacionários criam um anel que envolve o líquido. Uma vez que o líquido fica preso nesse cercado atômico, ele pode permanecer em estado líquido mesmo em temperaturas significativamente abaixo de seu ponto de congelamento, que para a platina pode ser de apenas 350 graus Celsius — ou seja, mais de 1.000 graus abaixo do que é normalmente esperado."

Abaixo de uma certa temperatura, o líquido confinado solidifica-se, não em uma forma cristalina, mas como um sólido amorfo. Essa forma amorfa do metal é altamente instável, mantida apenas pelo confinamento de átomos estacionários. Quando o confinamento é rompido, a tensão é liberada, permitindo que o metal se transforme em sua estrutura cristalina normal.

O Dr. Jesum Alves Fernandes, especialista em catálise da Universidade de Nottingham, afirmou: "A descoberta de um novo estado híbrido de metal é significativa. Como a platina sobre carbono é um dos catalisadores mais utilizados globalmente, encontrar um estado líquido confinado com comportamento de fase não clássico pode mudar nossa compreensão de como os catalisadores funcionam. Esse avanço pode levar ao desenvolvimento de catalisadores autolimpantes com atividade e longevidade aprimoradas."

Até agora, o confinamento em nanoescala só havia sido alcançado para fótons e elétrons; este trabalho representa a primeira vez que átomos foram confinados. O professor Andrei Khlobystov afirmou: "Nossa conquista pode anunciar uma nova forma de matéria que combina características de sólidos e líquidos no mesmo material."

Os pesquisadores esperam que a manipulação das posições dos átomos fixados na superfície possa criar formatos de cercado mais extensos e complexos. Isso poderia abrir caminho para um uso mais eficiente de metais raros em tecnologias limpas, como conversão e armazenamento de energia.

Mais informações: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c08201

Informações sobre o periódico: ACS Nano