A menos que você seja um cientista de materiais, o que a maioria de nós afinal não é, o termo 'vidros' provavelmente traz à mente coisas como vidraças, copos ou óculos para beber. Quase ninguém vai pensar em metais. Mas vidros metalizados, ou 'metais amorfos', como também são conhecidos, estão desempenhando um papel cada vez mais importante tanto na pesquisa científica quanto na tecnologia.

Quando o metal derrete é resfriado tão rapidamente que se solidifica em uma fração de segundo, eles permanecem caóticos e desordenados no nível atômico. Se eles tivessem sido resfriados lentamente, os átomos teriam tido tempo para se reorganizar e formar uma estrutura de rede cristalina ordenada, mas o resfriamento muito rápido significa que os átomos no fundido líquido desordenado não têm tempo suficiente para se reorganizar e estão essencialmente congelados na posição. Essa desordem atômica confere a esses vidros metálicos "fora de equilíbrio" propriedades bastante diferentes daquelas da liga cristalina ordenada que se formaria quando os mesmos constituintes passassem por um resfriamento mais lento e convencional. Os vidros metálicos podem ser tão fortes quanto o aço, embora tenham a elasticidade de um polímero.

A maioria dos materiais do universo são amorfos, o que significa que eles são caóticos e desorganizados e não possuem a ordem de longo alcance encontrada nos sólidos cristalinos. Mesmo agua, que em seu estado congelado tem uma estrutura de cristal regular aqui na Terra, é vítreo ou amorfo no universo mais amplo, como a água encontrada em cometas em temperaturas abaixo de -150 ° C. De uma perspectiva científica, a transição do estado líquido para o estado sólido amorfo é de interesse fundamental.

"O que exatamente está acontecendo durante a vitrificação ainda não é bem compreendido, "diz Isabella Gallino. Trabalhando com colegas da Espanha (Dra. Daniele Cangialosi, Dr. Xavier Monnier), França (Dra. Beatrice Ruta) e Alemanha (Professor Ralf Busch, também da Saarland University), O Dr. Gallino estudou em detalhes sem precedentes o que está acontecendo no nível atômico quando uma liga líquida metaestável vitrifica para formar um vidro sólido.

Usando feixes de raios-X extremamente brilhantes e coerentes gerados no Centro de Pesquisa Síncrotron Europeu em Grenoble, Gallino e seus colegas estudaram os rearranjos atômicos que ocorrem em uma liga especial de ouro à medida que foi resfriada de cerca de 150 ° C (estado líquido) a cerca de 115 ° C (congelada, estado vítreo). Usando esta técnica, a equipe de pesquisa foi capaz de observar como o movimento dos átomos diminuiu conforme o material congelava. O próprio processo de congelamento também foi estudado usando um novo calorímetro flash - um calorímetro de varredura rápida que permite que taxas de aquecimento e resfriamento extremamente altas sejam alcançadas. Anteriormente, ninguém foi capaz de observar o que estava acontecendo na faixa de vitrificação com este nível de precisão.

"Até agora, ninguém tinha conseguido fazer essas observações em uma gama tão ampla de taxas de aquecimento e resfriamento, "explica Isabella Gallino, que está trabalhando atualmente em sua Habilitação, um diploma de pesquisa avançada que dá ao titular o direito de lecionar em nível de professor na Alemanha. Dez anos atrás, estudos deste tipo simplesmente não eram viáveis ​​por razões técnicas. Naquela hora, os cientistas não tinham a opção de submeter esses materiais a feixes de raios-X síncrotron extremamente brilhantes, nem tinham acesso aos calorímetros de varredura rápida que permitem que as transições de fase e outras transformações sejam registradas em taxas de temperatura de até 100, 000 graus por segundo. Hoje, ambas as opções estão disponíveis e Isabella Gallino e seus colegas fizeram bom uso delas.

Em seu artigo de pesquisa publicado no respeitado, Journal revisado por pares Avanços da Ciência , a equipe mostrou que seus resultados desafiaram um paradigma previamente aceito de pesquisa em ciência dos materiais. "Até agora, a sabedoria convencional afirma que a taxa na qual o líquido congela é a mesma que a chamada taxa de relaxamento alfa, isto é, a taxa na qual a mobilidade primária dos átomos diminui à medida que a temperatura diminui, "explica o Dr. Gallino." Mas essa correlação um-para-um não é o que realmente observamos. "

"Isso porque a fusão compreende átomos de vários tipos e de tamanhos muito diferentes. Quando os átomos grandes, como ouro, já congelaram e estão essencialmente imóveis, os átomos menores, como silício, ainda podem se mover e "correr" para suas posições preferidas energeticamente, "diz Isabella Gallino. Por causa desse fluxo coletivo de átomos menores, ainda há mobilidade global dentro do material, que continua a se comportar como um líquido. É apenas quando os átomos menores finalmente congelam, que o líquido se solidifica totalmente em um copo.

Esta nova descoberta fundamental por Isabella Gallino e seus colegas de pesquisa tem implicações para a pesquisa global que está sendo conduzida em metais amorfos e outros materiais formadores de vidro, como polímeros e líquidos iônicos. Uma melhor compreensão do processo de vitrificação não só facilitará a criação de novos materiais especializados no futuro, mas nos dará uma visão maior sobre o comportamento dos materiais amorfos existentes.