Descoberto novo estado híbrido de agregados: o material pode ser sólido e líquido ao mesmo tempo
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Sólido, líquido e gasoso - estas são as principais formas de matéria conhecidas. Cientistas da Universidade de Ulm e da Universidade de Nottingham demonstraram agora um estado da matéria completamente novo, no qual a matéria tem simultaneamente propriedades sólidas e líquidas. Os líquidos confinados por átomos estacionários permanecem assim líquidos mesmo muito abaixo do seu ponto de congelação. Esta descoberta poderá conduzir a catalisadores mais eficientes e sustentáveis.
Quando o metal derrete, os átomos que o compõem movem-se livremente como indivíduos numa multidão. No entanto, uma equipa de investigação germano-britânica da Universidade de Ulm fez agora uma descoberta surpreendente: No metal líquido, alguns átomos permanecem firmemente na sua posição, influenciando assim o processo de solidificação. O resultado é que as caraterísticas dos sólidos e dos líquidos podem ser encontradas combinadas no mesmo material. O estudo foi publicado na revista especializada ACS Nano.
"Utilizando o nosso microscópio único de baixa tensão SALVE, pudemos observar pela primeira vez como as gotículas de metal fundido se comportam a nível atómico", explica o Dr. Christopher Leist. O primeiro autor realizou as experiências em Ulm, utilizando o microscópio eletrónico SALVE. "Aquecemos nanopartículas metálicas como a platina, o ouro e o paládio, que foram depositadas num suporte atomicamente fino - o grafeno". Quando as partículas derreteram, os seus átomos começaram a mover-se rapidamente, como esperado. "No entanto, para nossa surpresa, apercebemo-nos de que os átomos individuais permaneciam em determinados locais como se tivessem sido pregados". Isto deve-se a defeitos na estrutura cristalina do material de suporte, onde os átomos fixos estão fortemente ligados ao grafeno.
Os investigadores descobriram também que o número destes defeitos no material de suporte e, consequentemente, o número de átomos metálicos fixos pode ser manipulado e aumentado utilizando o feixe do microscópio eletrónico. "Se apenas alguns átomos estiverem fixos, forma-se um cristal a partir do líquido e cresce gradualmente", explica o Professor Sénior Ute Kaiser, Diretor do Centro SALVE da Universidade de Ulm. "No entanto, se existirem muitos átomos fixos, o processo de solidificação é retardado e a formação de cristais é impedida." Esta fase de solidificação é também particularmente importante para as aplicações industriais, uma vez que determina a estrutura e as propriedades funcionais de um material.
Torna-se particularmente excitante quando os átomos fixos formam uma cerca circular à volta da matéria líquida, como a equipa de investigação conseguiu fazer. "Uma vez que o líquido fica preso neste 'invólucro atómico', pode permanecer líquido mesmo quando a temperatura desce muito abaixo do ponto em que o material normalmente solidifica", sublinha o chefe da equipa de investigação, o Professor Andrei Khlobystov da Universidade de Nottingham. No caso da platina, isto significa que pode continuar a ser líquida a 350 graus Celsius - um comportamento completamente inesperado, uma vez que esta temperatura é mais de 1000 graus mais fria do que o ponto em que a platina normalmente solidifica. A Professora Elena Besley, especialista em química teórica da Universidade de Nottingham, acrescenta: "Utilizando a nossa abordagem de dinâmica molecular, conseguimos mostrar que o líquido vedado é de facto estável".
O Dr. Jesum Alves Fernandes, especialista em catálise da Universidade de Nottingham, vê grandes oportunidades neste facto. Afinal de contas, os catalisadores de platina sobre carbono estão entre os catalisadores mais utilizados no mundo. "Se compreendermos como os átomos fixos se organizam e se movem, poderemos desenvolver catalisadores que se limpem a si próprios e se mantenham eficazes durante muito mais tempo", afirma Alves Fernandes.
"O nosso feito pode ser o prenúncio de uma nova forma de matéria que combina as propriedades dos sólidos e dos líquidos num só material", está convencida a equipa. Os investigadores esperam que, manipulando as posições dos átomos estacionários, se possam formar no futuro invólucros mais longos e mais complexos. Isto poderá permitir que os metais raros sejam utilizados de forma mais eficiente, por exemplo, na conversão e armazenamento de energia.
O estudo foi financiado pelo programa EPSRC "Metal Atoms on Surfaces and Interfaces (MASI) for Sustainable Future", que trata dos desafios da utilização sustentável de elementos raros no futuro.
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