Cientistas identificam possível 4º estado físico da matéria em nanogotas metálicas

Uma descoberta realizada por equipes das universidades de Nottingham, no Reino Unido, e Ulm, na Alemanha, pode redefinir o entendimento científico sobre os estados físicos da matéria. Os pesquisadores observaram um comportamento nunca registrado: dentro de nanogotas de metais como platina, ouro e paládio, parte dos átomos se movimenta livremente, como em um líquido, enquanto outra parcela permanece completamente imóvel, como em um sólido. O estudo, publicado na revista ACS Nano, abre caminho para a identificação de um estado híbrido entre sólido e líquido, com implicações profundas para a física, a química e a tecnologia de catalisadores.

O fenômeno observado: átomos fixos dentro de um líquido

Em condições normais, líquidos são formados por átomos que permanecem em constante movimento, ainda que com algum grau de organização menor do que no estado sólido. Porém, o experimento mostrou um comportamento inesperado quando os cientistas aqueceram nanogotas metálicas posicionadas sobre uma camada ultrafina de grafeno. Uma parte dos átomos se fixou em defeitos estruturais do grafeno e simplesmente deixou de se mover, mesmo sob temperaturas extremamente altas.

Esses átomos imóveis criaram uma espécie de “cercado” na borda da nanogota, impondo uma fronteira rígida ao material. Enquanto isso, os átomos localizados no interior da gota continuaram se movimentando de forma intensa, mantendo características típicas de um líquido. A coexistência desses dois comportamentos, um estático e outro dinâmico, é o que chamou a atenção da comunidade científica.

Segundo o professor Andrei Khlobystov, envolvido na pesquisa, a descoberta representa um fenômeno intermediário entre os três estados clássicos da matéria. O comportamento híbrido sugere a existência de um regime físico que não corresponde completamente ao sólido nem ao líquido.

Como os cientistas conseguiram enxergar esse novo comportamento

O experimento utilizou um microscópio eletrônico de transmissão de baixa voltagem conhecido como SALVE. Esse equipamento permitiu visualizar a movimentação dos átomos em tempo real, algo impossível com tecnologias convencionais. À medida que as nanopartículas metálicas eram aquecidas, seus átomos se agitavam conforme o esperado, mas alguns permaneciam fixos em defeitos do grafeno.

A equipe também desenvolveu um método para manipular o comportamento dos átomos: ao ajustar o feixe de elétrons, conseguiram aumentar ou diminuir o número de defeitos no grafeno, controlando assim quantos átomos ficavam presos. Isso permitiu identificar limites claros entre a solidificação normal, o congelamento atrasado e a permanência prolongada no estado líquido.

Líquido super-resfriado e congelamento interrompido

O impacto provocado pelos átomos fixos é tão intenso que interfere diretamente no processo de solidificação. Quando poucos átomos ficam presos ao grafeno, a nanogota congela normalmente, formando um cristal metálico. Porém, quando muitos átomos permanecem estacionários, o congelamento praticamente não ocorre.

Os pesquisadores observaram nanogotas de platina que permaneceram líquidas a temperaturas 1.000°C abaixo do ponto de congelamento convencional do metal. Esse comportamento indica a formação de um líquido super-resfriado confinado, que só congela ao atingir temperaturas ainda mais baixas. E quando isso acontece, o material solidificado não apresenta estrutura cristalina, mas sim um sólido amorfo altamente instável.

Aplicações imediatas para catalisadores industriais

A descoberta pode trazer avanços significativos para a indústria química. A platina sobre carbono, por exemplo, está entre os catalisadores mais utilizados em processos industriais e na tecnologia automotiva. A coexistência de átomos imóveis e móveis dentro de nanogotas metálicas pode alterar por completo a forma como esses catalisadores funcionam.

De acordo com o pesquisador Jesum Alves Fernandes, compreender esse estado híbrido abre caminho para desenvolver catalisadores mais resistentes, eficientes e até autolimpantes, reduzindo custos e ampliando sua durabilidade. O comportamento não clássico do líquido confinado permite que reações químicas ocorram de maneiras até então desconhecidas.

Uma nova fronteira no estudo da matéria

Até agora, o controle preciso de confinamento atômico havia sido alcançado apenas com fótons e elétrons. O estudo representa o primeiro caso documentado de átomos confinados de maneira estável em estruturas físicas. Para Khlobystov, essa descoberta marca o início de uma nova fase na ciência dos materiais.

Os pesquisadores agora investigam como manipular esses “cercados atômicos” para criar estruturas complexas e otimizar o uso de metais raros em tecnologias ligadas à transição energética. Entre elas, baterias avançadas, catalisadores mais sustentáveis e dispositivos de conversão química de alta eficiência.

A observação desse estado intermediário entre sólido e líquido não apenas expande a compreensão sobre a matéria, mas também indica que fenômenos semelhantes podem existir em outras escalas e materiais. À medida que a tecnologia de microscopia se aperfeiçoa, novas formas de organização atômica podem emergir e transformar setores inteiros da ciência e da engenharia.