Confirmado novo estado da matéria onde um material pode ser líquido e sólido ao mesmo tempo

Um estudo publicado esta semana na Proceedings of the National Academy of Sciences (1) confirmou um novo estado da matéria no qual os átomos constituintes podem existir tanto no estado sólido quanto no estado líquido simultaneamente. Antes desse achado, os átomos em materiais físicos eram entendidos de estarem em apenas um estado físico "normal" em um dado momento - sólido, líquido, gasoso, plasma, etc.

Fusão (derretimento, passagem do sólido para o líquido) pode ser definido de várias formas: inabilidade de sustentar cortes, desaparecimento de ordenamento em longa extensão, fluxo intenso de partículas, ou transição para um estado condensado com menor energia do que um cristal. O estado líquido pode coexistir com o sólido, normalmente via separação espacial, mas em alguns estados incomuns da matéria, interpenetração de dois componentes macroscópicos ocorre, criando uma única fase. Hélio superfluido é um exemplo, com um condensado de Bose coexistindo com uma fase líquida "normal". Outro exemplo, é o estado superiônico, onde a subgrade menos densa de um sólido perde ordem em longas extensões e difunde livremente em três dimensões como um líquido carregado, enquanto a subgrade mais densa permanece cristalina.

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Nas fases de alta-pressão de muitos metais, um subconjunto de certos picos de Bragg desaparecem sob aquecimento: um fenômeno chamado de derretimento de cadeia. Nesse caso, os pesquisadores já tinham observado que alguns elementos podem, quando submetidos a condições extremas, adquirirem uma característica híbrida de estados sólido e líquido. Ao aplicar altas pressões e temperaturas ao metal potássio - material metálico formado por átomos do elemento potássio (K) - é criado um estado onde a maioria dos átomos foram uma estrutura sólida de grade cristalina. No entanto, essa estrutura também contém um segundo conjunto de átomos de potássio que estão em um arranjamento fluído (líquido).

As fases elementais que mostram esse comportamento são estruturas incomensuradas hospedeiro-convidado (HG, na sigla em inglês). Estrutura HG consistem de duas subgrades com cadeias atômicas convidadas 1D (uma dimensão) localizadas em canais dentro de um uma estrutura hospedeira do tipo zeolítica. Elas já foram observadas para o sódio (pressões superiores a 125 GPa), potássio (20 GPa) e rubídio (17 GPa), com outras complexas fases surgindo a maiores pressões. A estrutura hospedeira é idêntica em todos os três elementos, mas as grades convidadas são diferentes: a do sódio é monoclínica, enquanto a do rubídio e a do potássio são tetragonais, com diferentes simetrias. Quando as estruturas HG são aquecidas, picos de difração das subgrades convidadas podem desaparecer, revelando a assinatura do derretimento de cadeia. Sob pressão e aquecimento, os átomos convidados podem 'derreter', enquanto os átomos hospedeiros permanecem cristalinos.

Na verdade, esse estado - batizado de 'cadeia-derretida' (chain-melted state) - já era conhecido em relação ao potássio, mas os cientistas estavam incertos se isso representava um real novo estado ou apenas uma fase de transição entre líquido e sólido. Durante o estado parcialmente líquido da cadeia-derretida, os átomos convidados derretidos permanecem confinados em canais 1D dentro da estrutura 3D cristalina, algo que, à primeira vista, sugere uma impossibilidade termodinâmica para o derretimento em 1D.

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Nesse sentido, para esclarecerem de vez a dúvida, os pesquisadores responsáveis pelo novo estudo - e liderados por cientistas da Universidade de Edinburgh, Reino Unido - usaram poderosas simulações computacionais para estudar a existência do estado cadeia-derretida. Simulando o comportamento de 20 mil átomos de potássio sob extremas condições, eles revelaram que as estruturas formadas representavam, de fato, um novo e estável estado da matéria. As análises mostraram que as correlações convidado-hospedeiro na cadeia-derretida são perdidas em três dimensões, fornecendo a entropia necessária para sua estabilidade termodinâmica.

Apesar dos pesquisadores terem estudado apenas o metal potássio, eles acreditam que, sob certas condições, alguns outros elementos, como o sódio (Na) e o bismuto (Bi), são também capazes de existirem nesse novo estado.


(1) Publicação do estudo: PNAS