A fronteira entre o metal sólido e o metal líquido pode ser muito menos “sólida” do que alguma vez suspeitamos. Os pesquisadores do RMIT descobriram que a fronteira líquido-sólido pode flutuar para frente e para trás, com átomos metálicos próximos à superfície se libertando de sua rede cristalina.



Observando uma massa de liga metálica se solidificando em um mar de metal líquido, a equipe foi capaz de observar um fenômeno interessante, nunca visto antes:o metal da superfície passa do estado sólido para o estado líquido e vice-versa.

Em contraste com o que é conhecido como pré-fusão, este fenómeno ocorreu a temperaturas inesperadamente baixas, muito abaixo da temperatura de fusão do metal sólido (por exemplo, 200°C abaixo do liquidus).

O fenômeno também ocorre a uma profundidade muito maior do que o previsto no metal sólido, até 100 átomos de profundidade, e continuou por vários dias.

Além de ser uma nova e excitante descoberta fundamental sobre a química de metais sólidos e líquidos, há aplicação potencial onde quer que ligas metálicas sejam usadas. O estudo foi publicado na Advanced Science .

Observando metais em movimento

Na configuração experimental, uma massa sólida (cristalina) de liga metálica se forma (ou precipita) em um oceano circundante de metal líquido, um processo comum na síntese de ligas metálicas.

Por exemplo, uma pepita de liga de gálio-cobre pode precipitar e crescer em um mar de gálio líquido à medida que esfria até a temperatura ambiente, ligeiramente abaixo da temperatura de fusão do gálio (30°C), mas muito abaixo da temperatura de fusão do Cu- Liga de Ga (256°C).

(O fenômeno de superfície flutuante recentemente observado ocorreu em todos os sistemas metálicos testados pela equipe do RMIT, mas é particularmente bem definido no sistema cobre-gálio.)

Apesar da onipresença do processo de liga de metal líquido, surpreendentemente pouco se sabe sobre a química superficial crucial do processo, devido à natureza opaca do banho de metal líquido.

Para resolver este desafio, a equipe do RMIT obteve imagens diretamente dos fenômenos superficiais da massa de gálio-cobre usando um microscópio eletrônico de transmissão (TEM), que permite a penetração do banho de metal líquido e resoluções em escala nanométrica.

Nesta escala, a superfície da liga sólida pode flutuar entre a fase sólida e líquida, a uma taxa de várias vezes por segundo, e a uma profundidade de cerca de 10 nm, ou 50 a 100 átomos.

"Essa flutuação da superfície do metal sólido entre as fases sólida e líquida foi completamente inesperada", diz o autor principal Caiden Parker, "porque todo o sistema estava sendo mantido próximo às condições de temperatura ambiente."

"O oceano de gálio líquido era mais de 200°C mais frio do que o ponto de fusão da liga Cu-Ga. Não pareceria haver nenhuma razão possível para a sua superfície voltar à forma líquida", diz Caiden, que é um FLEET Ph. D. candidato na RMIT.

No vídeo, a liga cristalina de Cu-Ga é identificável a partir da estrutura de rede regular, que aparece como listras diagonais. A área cinzenta circundante é gálio líquido e não espaço vazio.

Escape e recaptura:uma visão molecular da fronteira flutuante

"As camadas externas de uma liga de metal sólido são surpreendentemente instáveis ​​quando colocadas dentro de um ambiente de metal líquido, até a profundidade de vários nanômetros, flutuando entre os estados cristalino e líquido", diz o líder da equipe e autor correspondente, Prof Torben Daeneke (também na RMIT) .

Esta liquefação da interface cristalina é observada em temperaturas notavelmente baixas (200°C abaixo do ponto de fusão do sólido), diferenciando o fenômeno de liquefação observado de outros processos, como pré-fusão de superfície ou fusão a granel convencional.

A interface cristalina altamente instável é observada em uma variedade de sistemas de ligas binárias e, como tal, as descobertas podem impactar a compreensão dos processos de cristalização e solidificação em sistemas metálicos e ligas em geral.

A estrutura cristalina contém átomos de metal "soluto" (isto é, cobre) e átomos de metal "solvente" (gálio), formando assim um composto (CuGa₂ ). O processo de liquefação da superfície começa com a perda de alguns dos átomos do metal solvente de volta para o líquido circundante.

Os pesquisadores conduziram modelagem dinâmica molecular para compreender a fluidização superficial observada.

A modelagem revela que na superfície líquido-sólido, alguns átomos de solvente (gálio) escaparão da estrutura sólida devido a esse escape ser energeticamente semelhante a permanecer no lugar, ou seja, uma proporção de átomos de Ga na superfície possui energia suficiente para escapar da rede cristalina .

Esta "fuga" de átomos cria uma vacância na superfície, eventualmente criando uma instabilidade que leva ao colapso da rede, fazendo com que a fronteira líquido-sólido recue para dentro, para o sólido.

Depois disso, o líquido fica supersaturado no soluto (cobre), forçando o líquido circundante a se ligar novamente à rede cristalina. Isso faz com que a fronteira líquido-sólido avance novamente para fora, de volta ao líquido.

O resultado é que a fronteira líquido-sólido oscila para frente e para trás em um intervalo de tempo de aproximadamente meio segundo.