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Em 1842, o famoso pesquisador britânico Michael Faraday fez uma observação surpreendente por acaso: uma fina camada de água se forma na superfície do gelo, embora esteja bem abaixo de zero graus. Portanto, a temperatura está abaixo do ponto de fusão do gelo, mas a superfície do gelo derreteu. Essa camada líquida nos cristais de gelo também é o motivo pelo qual as bolas de neve se unem.
Foi somente cerca de 140 anos depois, em 1985, que esse “derretimento da superfície” pôde ser cientificamente confirmado em condições controladas de laboratório. Até agora, a fusão da superfície foi demonstrada em uma variedade de materiais cristalinos e é cientificamente bem compreendida: vários graus abaixo do ponto de fusão real, uma camada líquida de apenas alguns nanômetros de espessura se forma na superfície do material sólido. Como as propriedades da superfície dos materiais desempenham um papel crucial em seu uso como, por exemplo, catalisadores, sensores, eletrodos de bateria e muito mais, a fusão da superfície não é apenas de importância fundamental, mas também em relação às aplicações técnicas.
Deve-se enfatizar que esse processo não tem absolutamente nada a ver com o efeito de, digamos, tirar um cubo de gelo do freezer e expô-lo à temperatura ambiente. A razão pela qual um cubo de gelo derrete primeiro em sua superfície sob tais condições é que a superfície é significativamente mais quente do que o interior do cubo de gelo.
Derretimento da superfície detectado no vidro
Em cristais com átomos dispostos periodicamente, a fina camada líquida na superfície é tipicamente detectada por experimentos de espalhamento, que são muito sensíveis à presença de ordem atômica. Uma vez que os líquidos não estão dispostos em um padrão regular, tais técnicas podem, portanto, resolver claramente a aparência de uma fina película líquida no topo do sólido. Essa abordagem, no entanto, não funciona para vidros (ou seja, materiais amorfos desordenados) porque não há diferença na ordem atômica entre o sólido e o líquido. Portanto, a fusão da superfície dos vidros permaneceu bastante inexplorada com experimentos.
Para superar as dificuldades mencionadas acima, Clemens Bechinger, professor de física da Universidade de Konstanz, e seu colega Li Tian usaram um truque: em vez de estudar um vidro atômico, eles produziram um material desordenado feito de esferas de vidro microscópicas conhecidas como colóides. Em contraste com os átomos, essas partículas são cerca de 10.000 vezes maiores e podem ser observadas diretamente ao microscópio.
Os pesquisadores conseguiram demonstrar o processo de fusão da superfície em um vidro coloidal porque as partículas próximas à superfície se movem muito mais rápido em comparação com o sólido abaixo. À primeira vista, tal comportamento não é totalmente inesperado, uma vez que a densidade de partículas na superfície é menor do que no material a granel subjacente. Portanto, as partículas próximas à superfície têm mais espaço para passar umas pelas outras, o que as torna mais rápidas.
Uma descoberta surpreendente
O que surpreendeu Clemens Bechinger e Li Tian, no entanto, foi o fato de que mesmo muito abaixo da superfície, onde a densidade das partículas atingiu o valor de volume, a mobilidade das partículas ainda é significativamente maior em comparação com o material a granel. As imagens do microscópio mostram que essa camada anteriormente desconhecida tem até 30 diâmetros de partícula e continua da superfície para as regiões mais profundas do sólido em um padrão semelhante a raias. “Esta camada que atinge o material tem propriedades interessantes, pois combina características líquidas e sólidas”, explica Bechinger.
Como consequência, a propriedade de filmes finos e desordenados depende muito de sua espessura. De fato, essa propriedade já está sendo explorada em seu uso como condutores iônicos finos em baterias, que apresentam uma condutividade iônica significativamente maior em comparação com filmes espessos. Com os novos insights obtidos com os experimentos, no entanto, esse comportamento agora pode ser entendido quantitativamente e, portanto, otimizado para aplicações técnicas.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Constança. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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