As transições diárias de um estado da matéria para outro – como congelamento, fusão ou evaporação – começam com um processo chamado “nucleação”, no qual pequenos aglomerados de átomos ou moléculas (chamados “núcleos”) começam a coalescer. A nucleação desempenha um papel crítico em circunstâncias tão diversas como a formação de nuvens e o aparecimento de doenças neurodegenerativas.
Uma equipe liderada pela UCLA ganhou uma visão nunca antes vista da nucleação – capturando como os átomos se reorganizam em resolução atômica 4D (isto é, em três dimensões do espaço e ao longo do tempo). As descobertas, publicadas na revista Nature, diferem das previsões baseadas na teoria clássica da nucleação, que há muito aparece nos livros didáticos.
“Este é realmente um experimento inovador – não apenas localizamos e identificamos átomos individuais com alta precisão, mas também monitoramos seu movimento em 4D pela primeira vez”, disse o autor sênior Jianwei “John” Miao, professor de física e astronomia da UCLA. que é o vice-diretor do Centro de Ciências e Tecnologia da Fundação Nacional de Ciências STROBE e membro do California NanoSystems Institute da UCLA.
Pesquisas da equipe, que inclui colaboradores do Lawrence Berkeley National Laboratory, da Universidade do Colorado em Boulder, da Universidade de Buffalo e da Universidade de Nevada, em Reno, baseiam-se em uma poderosa técnica de imagem desenvolvida anteriormente pelo grupo de pesquisa de Miao. Esse método, chamado de “tomografia eletrônica atômica”, usa um microscópio eletrônico de última geração localizado na Molecular Foundry, de Berkeley Lab, que mostra uma amostra usando elétrons. A amostra é girada, e da mesma maneira que uma tomografia computadorizada gera uma radiografia tridimensional do corpo humano, a tomografia eletrônica atômica cria impressionantes imagens 3D de átomos dentro de um material.
Miao e seus colegas examinaram uma liga de ferro-platina formada em nanopartículas tão pequena que são necessários mais de 10.000 de lado a lado para cobrir a largura de um fio de cabelo humano. Para investigar a nucleação, os cientistas aqueceram as nanopartículas a 520 graus Celsius ou 968 graus Fahrenheit e capturaram imagens após 9 minutos, 16 minutos e 26 minutos. A essa temperatura, a liga sofre uma transição entre duas fases sólidas diferentes.
Embora a liga pareça a mesma coisa a olho nu em ambas as fases, uma inspeção mais próxima mostra que os arranjos atômicos 3D são diferentes um do outro. Após o aquecimento, a estrutura muda de um estado químico confuso para um mais ordenado, com camadas alternadas de átomos de ferro e platina. A mudança na liga pode ser comparada à solução de um Cubo de Rubik – a fase confusa tem todas as cores misturadas aleatoriamente, enquanto a fase ordenada tem todas as cores alinhadas.
Em um processo minucioso liderado por co-primeiros autores e pelos pesquisadores de pós-doutorado da UCLA, Jihan Zhou e Yongsoo Yang, a equipe rastreou os mesmos 33 núcleos – alguns tão pequenos quanto 13 átomos – dentro de uma nanopartícula.
“As pessoas acham que é difícil encontrar uma agulha no palheiro”, disse Miao. “Quão difícil seria encontrar o mesmo átomo em mais de um trilhão de átomos em três momentos diferentes?”
Os resultados foram surpreendentes, pois contradizem a teoria clássica da nucleação. Essa teoria sustenta que os núcleos são perfeitamente redondos. No estudo, pelo contrário, os núcleos formaram formas irregulares. A teoria também sugere que os núcleos têm um limite agudo. Em vez disso, os pesquisadores observaram que cada núcleo continha um núcleo de átomos que mudara para a nova fase ordenada, mas que o arranjo se tornava cada vez mais confuso mais próximo da superfície do núcleo.
A teoria da nucleação clássica também afirma que, uma vez que um núcleo atinge um tamanho específico, ele só cresce a partir daí. Mas o processo parece ser muito mais complicado do que isso: além de crescer, os núcleos do estudo encolheram, dividiram e fundiram; alguns se dissolveram completamente.
“A nucleação é basicamente um problema não resolvido em muitos campos”, disse o co-autor Peter Ercius, cientista da Molecular Foundry, uma instalação de nanociência que oferece aos usuários instrumentação de ponta e experiência para pesquisa colaborativa. “Uma vez que você pode imaginar algo, você pode começar a pensar em como controlá-lo.”
Os resultados oferecem evidências diretas de que a teoria da nucleação clássica não descreve com precisão os fenômenos no nível atômico. As descobertas sobre a nucleação podem influenciar a pesquisa em uma ampla gama de áreas, incluindo física, química, ciência dos materiais, ciência ambiental e neurociência.
“Ao capturar a movimentação atômica ao longo do tempo, este estudo abre novos caminhos para o estudo de uma ampla gama de fenômenos materiais, químicos e biológicos”, disse Charles Ying, da National Science Foundation, que supervisiona o financiamento do centro STROBE. “Esse resultado transformador exigiu avanços inovadores em experimentação, análise de dados e modelagem, um resultado que exigiu a ampla experiência dos pesquisadores do centro e de seus colaboradores”.
Outros autores foram Yao Yang, Dennis Kim, Andrew Yuan e Xuezeng Tian, todos da UCLA; Colin Ophus e Andreas Schmid, do Laboratório de Berkeley; Fan Sun e Hao Zeng, da Universidade de Buffalo, em Nova York; Michael Nathanson e Hendrik Heinz, da Universidade do Colorado, em Boulder; e Qi An da Universidade de Nevada, Reno.
Publicado em 02/07/2019
Artigo original: http://newsroom.ucla.edu/releases/atomic-motion-captured-4d
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