Los investigadores han descubierto que, dentro de un líquido, no todos los átomos se mueven. Aunque la temperatura es muy alta, algunos átomos permanecen fijos en su lugar. Estos átomos inmóviles tienen un gran efecto en cómo un líquido se convierte en sólido, creando un estado inusual conocido como líquido superenfriado coralino.
La forma en que se solidifican los materiales es crucial en muchos procesos naturales, como la mineralización, la formación de hielo y el plegamiento de fibrillas de proteínas. La solidificación también es fundamental para muchas tecnologías, desde la farmacéutica hasta las industrias metálicas, la aviación, la construcción y la electrónica.
Imágenes de metales fundidos a escala atómica
Para explorar cómo se forman los sólidos, científicos de la Universidad de Nottingham y la Universidad de Ulm en Alemania utilizaron microscopía electrónica de transmisión a medida que se solidificaban nanogotas de metal fundido. Sus resultados fueron publicados en la revista el 9 de diciembre. ACS Nano.
“Cuando pensamos en la materia, normalmente pensamos en tres estados: gas, líquido y sólido. Mientras que el comportamiento de los átomos en gases y sólidos es fácil de entender y describir, los líquidos son más misteriosos”, dijo el profesor Andrei Khlobistov, quien dirigió el equipo.
Movimiento complejo dentro del fluido.
En los líquidos, los átomos se mueven de forma compleja y abarrotada, como personas empujándose en una calle concurrida. Se cruzan a altas velocidades mientras siguen interactuando. Este movimiento es especialmente difícil de estudiar durante el momento crítico en el que un líquido comienza a solidificarse, fase que fija la composición del material y muchas de sus propiedades funcionales.
Dispositivo de prueba y ungüento de “cocina” de grafeno
El Dr. Christopher List, que realizó el experimento de microscopía electrónica de transmisión en Ulm utilizando el exclusivo instrumento SALVE de bajo voltaje, dijo: “Comenzamos fundiendo nanopartículas metálicas como platino, oro y paladio sobre un soporte atómicamente delgado: el grafeno. Usamos grafeno como este tipo de calor, y ellos usaron grafeno para este proceso. Los átomos comenzaron a moverse más rápido de lo esperado, sin embargo, para nuestra sorpresa, descubrimos que algunos átomos estaban estacionarios”.
Análisis más detallados demostraron que estos átomos fijos están fuertemente unidos al material de soporte en lugares específicos llamados defectos puntuales, y que esta fuerte unión persiste incluso a temperaturas muy altas. Al enfocar el haz de electrones en áreas seleccionadas, el equipo puede crear más defectos y, por lo tanto, ajustar cuántos átomos están atrapados en el líquido.
Dualidad onda-partícula y una nueva fase de la materia
El profesor Ute Kaiser, fundador del Centro SALVE de la Universidad de Ulm, dijo: “Nuestros experimentos nos sorprendieron porque observamos directamente la dualidad onda-partícula de los electrones en el haz de electrones. Visualizamos el material usando electrones como ondas. Al mismo tiempo, los electrones se comportan como partículas, pueden explotar discretamente o incluso explotar momentáneamente. Esta extraordinaria observación en el borde de un metal líquido nos ha permitido descubrir una nueva fase de la materia”.
El mismo equipo de investigación ha producido anteriormente películas de reacciones químicas que involucran moléculas individuales, incluida la primera grabación directa de la ruptura y reformado de un enlace químico en tiempo real. Su enfoque permite ver cómo se desarrolla la química a nivel de átomos individuales.
Corales nucleares y crecimiento interrumpido de cristales.
En una nueva investigación, los científicos han descubierto que los átomos estacionarios desempeñan un papel poderoso a la hora de determinar cómo se solidifica un líquido. Cuando sólo se fijan unos pocos átomos, un cristal puede crecer a partir del líquido y expandirse hasta que toda la nanopartícula esté sólida. Por el contrario, cuando hay demasiados átomos en su lugar, interfieren con este proceso e impiden la formación de cristales.
“La reacción es particularmente interesante cuando los átomos estacionarios forman un anillo alrededor del líquido”, dijo el profesor Andrei Khlobistov de la Universidad de Nottingham. “Una vez que el líquido queda atrapado en este coral atómico, puede permanecer líquido incluso a temperaturas muy por debajo de su punto de congelación, que puede ser inferior a 3 grados centígrados para el platino. 1.000 grados por debajo de lo que normalmente se espera”.
Líquidos coralinos sobreenfriados y metales amorfos inestables.
Si la temperatura es lo suficientemente baja, el líquido coralino eventualmente se solidifica, pero no cristaliza con regularidad. En cambio, se convierte en un sólido amorfo, una forma de metal sin una estructura cristalina ordenada. Este metal amorfo es muy inestable y existe sólo mientras lo confinan átomos estables. Una vez que se rompe esa restricción, la tensión acumulada se libera y el metal se reorganiza en su forma cristalina normal.
Estados de metales híbridos y catálisis
“El descubrimiento de un nuevo estado híbrido del metal es significativo. Dado que el platino sobre carbono es uno de los catalizadores más utilizados en todo el mundo, encontrar un estado líquido confinado con un comportamiento de fase no clásico podría cambiar nuestra comprensión de cómo funcionan los catalizadores con mejoras en el diseño de estos autocatalizadores, su actividad y su longevidad”, afirmó el Dr. Jessum Alves Fernandes, experto en catálisis, de la Universidad de Nottingham.
Hacia nuevas formas de materia y tecnologías más limpias
Hasta ahora, la formación de corales a nanoescala sólo se ha logrado para fotones y electrones; Este estudio es la primera demostración de que los átomos se pueden combinar de forma similar. “Nuestro logro podría dar paso a una nueva forma de materia combinando las propiedades de sólidos y líquidos en el mismo material”, afirmó el profesor Andrei Khlobistov.
Los investigadores sugieren que al organizar cuidadosamente las posiciones de los átomos fijados en la superficie, podrían crear corales atómicos más grandes y complejos. Tal control sobre los metales raros puede conducir a un uso más eficiente de estos materiales en tecnologías limpias, incluida la conversión y el almacenamiento de energía.
Este trabajo fue financiado por una subvención del programa EPSRC para un futuro sostenible ‘Átomos metálicos en superficies e interfaces (MASI)’.
