Materiais bidimensionais ultra-finos observados pela primeira vez num estado entre o sólido e o líquido
Novas perspectivas sobre as transições de fase a nível atómico em materiais reais
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Quando o gelo se funde em água, isso acontece rapidamente, a transição do sólido para o líquido é imediata. No entanto, os materiais muito finos não obedecem a estas regras. É aqui que surge um estado invulgar entre o sólido e o líquido: a fase hexática. Os investigadores da Universidade de Viena conseguiram agora observar diretamente esta fase exótica num cristal atomicamente fino. Utilizando microscopia eletrónica de ponta e redes neuronais, filmaram um cristal de iodeto de prata protegido por grafeno enquanto este derretia. Os materiais ultra-finos e bidimensionais permitiram aos investigadores observar diretamente os processos de fusão a nível atómico. As novas descobertas contribuem significativamente para a nossa compreensão destas transições de fase. Surpreendentemente, as observações contradizem as previsões anteriores - um resultado que foi agora publicado na Science.
Quando o gelo derrete, tudo acontece muito rapidamente: assim que a temperatura de fusão é atingida, a estrutura sólida e ordenada do gelo transforma-se abruptamente em água líquida e desordenada. Esta transição abrupta é típica do comportamento de fusão de todos os materiais tridimensionais, desde metais e minerais a bebidas congeladas.
No entanto, quando um material se torna tão fino que é praticamente bidimensional, as regras de fusão mudam drasticamente. Entre a fase sólida e a fase líquida, pode surgir uma nova e exótica fase intermédia da matéria, designada por "fase hexática". Esta fase hexática, que foi prevista pela primeira vez na década de 1970, é um estranho estado híbrido. O material comporta-se como um líquido, em que as distâncias entre as partículas são irregulares, mas até certo ponto também como um sólido, uma vez que os ângulos entre as partículas permanecem relativamente bem ordenados.
Uma vez que esta fase só foi observada até agora em sistemas-modelo muito maiores, como esferas de poliestireno densamente compactadas, não se sabia se também poderia ocorrer em materiais quotidianos ligados covalentemente. A equipa de investigação internacional liderada pela Universidade de Viena conseguiu agora demonstrar precisamente isso: os cientistas conseguiram observar este processo pela primeira vez em cristais atomicamente finos de iodeto de prata (AgI), resolvendo assim um mistério com décadas. Os seus resultados não só confirmam a existência deste estado elusivo em materiais fortemente ligados, como também fornecem novos e surpreendentes conhecimentos sobre a natureza da fusão em duas dimensões.
As "sanduíches de grafeno" tornam possível a nova observação
Para conseguir esta descoberta, os investigadores desenvolveram um método engenhoso para estudar o processo de fusão de cristais frágeis e atomicamente finos. Para o efeito, colocaram uma única camada de um cristal de iodeto de prata entre duas camadas de grafeno. Esta "sanduíche" protetora impediu que o frágil cristal se dobrasse sobre si próprio durante o processo de fusão. Utilizando um microscópio eletrónico de transmissão e varrimento (STEM) de última geração, a equipa aqueceu gradualmente a amostra a mais de 1100 °C e filmou o processo de fusão em tempo real ao nível atómico.
"Sem a utilização de ferramentas de IA, como as redes neuronais, teria sido impossível seguir todos estes átomos individuais", explica Kimmo Mustonen, da Universidade de Viena, autor sénior do estudo. A equipa treinou a rede com enormes quantidades de conjuntos de dados simulados antes de processar os milhares de imagens de alta resolução geradas pela experiência.
A sua análise revelou um resultado notável: dentro de uma estreita janela de temperatura - cerca de 25 °C abaixo do ponto de fusão do AgI - surgiu uma fase hexática clara. Medições suplementares de difração de electrões confirmaram esta descoberta e forneceram fortes provas da existência deste estado intermédio em materiais atomicamente finos e fortemente ligados.
Um novo capítulo na física da fusão
O estudo também revelou uma reviravolta inesperada. De acordo com as teorias anteriores, as transições do estado sólido para o hexático e do hexático para o líquido deveriam ser contínuas. No entanto, os investigadores observaram que, embora a transição do sólido para o hexástico fosse de facto contínua, a transição do hexático para o líquido era abrupta, semelhante à fusão do gelo em água. "Isto indica que a fusão em cristais bidimensionais covalentes é muito mais complexa do que se pensava", afirma David Lamprecht, da Universidade de Viena e da Universidade de Tecnologia de Viena (TU), um dos principais autores do estudo, juntamente com Thuy An Bui, também da Universidade de Viena.
Esta descoberta não só desafia as previsões teóricas de longa data, como também abre novas perspectivas no estudo dos materiais a nível atómico. "Kimmo e os seus colegas mostraram mais uma vez como a microscopia de resolução atómica pode ser poderosa", afirma Jani Kotakoski, chefe do grupo de investigação da Universidade de Viena.
Os resultados do estudo não só aprofundam a nossa compreensão da fusão em duas dimensões, como também sublinham o potencial da microscopia avançada e da IA na exploração das fronteiras da ciência dos materiais.
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