As transições de fase nos cercam - por exemplo, a água líquida transforma-se em gelo quando congelada e em vapor quando fervida. Agora, pesquisadores do Carnegie Institution for Science descobriram um novo fenômeno da chamada metaestabilidade em uma fase líquida. Um líquido metaestável não é muito estável. Este estado é comum em líquidos super-resfriados, que são líquidos que esfriam abaixo do ponto de congelamento sem se transformarem em um sólido ou cristal. Agora, os cientistas relatam a primeira evidência experimental da criação de um líquido metaestável diretamente pela abordagem oposta:derreter um cristal sólido de alta pressão de bismuto metálico por meio de um processo de descompressão abaixo de seu ponto de fusão.

Os resultados, relatado em 23 de janeiro, 2017, emissão de Nature Communications , pode ser importante para o desenvolvimento de novos materiais e para a compreensão da dinâmica dos interiores planetários, como terremotos, porque um líquido metaestável poderia atuar como um lubrificante afetando fortemente a dinâmica do interior da Terra.

"As transições de fase vêm em dois sabores básicos, '"explicou o co-autor Guoyin Shen de Carnegie, Diretor da Equipe de Acesso Colaborativo de Alta Pressão na Fonte Avançada de Fótons. "Em um tipo, as ligações químicas não se rompem à medida que o material passa de uma fase para outra. Mas eles se alteram em orientação e comprimento de maneira ordenada. O outro, chamada transição de fase reconstrutiva, é mais caótico, mas o mais prevalente na natureza e o foco deste estudo. Nessas transições, partes das ligações químicas são quebradas e a estrutura muda significativamente quando entra em uma nova fase. "

A pressão pode ser usada para alterar a fase de um material, além de aquecimento e resfriamento. Os cientistas colocaram uma forma de bismuto cristalino em uma célula de bigorna de diamante indutora de pressão, e submetido a pressões e descompressão variando de 32, 000 vezes a pressão atmosférica (3,2 GPa) a 12, 000 atmosferas (1,2 GPa) a uma temperatura de 420 ° F (489 K). Somente sob descompressão, por volta dos 23, 000 atmosferas, o bismuto se derrete em um líquido. Então, aos 12, 000 atmosferas que recristaliza.

"A riqueza da estrutura cristalina do bismuto é particularmente útil para testemunhar mudanças na estrutura de um material, "comentou o autor principal, Chuanlong Lin.

Os pesquisadores fotografaram as mudanças usando uma técnica chamada difração de raios-X, que usa raios X de energia muito mais alta do que aqueles que usamos para imagens médicas e, portanto, pode discernir a estrutura no nível atômico. Eles conduziram cinco rodadas diferentes de experimentos de compressão / descompressão.

"O bismuto exibiu um líquido metaestável no processo de transições de fase sólido-sólido sob descompressão por volta de 23, 000 a 15, 000 atmosferas, "Lin disse.

Os cientistas também descobriram que o estado metaestável pode durar horas abaixo do ponto de fusão em condições estáticas. Interessantemente, o líquido metaestável produzido pela descompressão ocorreu em uma faixa de pressão-temperatura semelhante a onde o bismuto super-resfriado é produzido.

"Como as transições de fase reconstrutivas são o tipo mais fundamental, esta pesquisa fornece uma maneira totalmente nova de compreender como os diferentes materiais mudam, "Shen disse." É possível que outros materiais possam exibir um líquido metaestável semelhante quando passam por transições reconstrutivas e que este fenômeno é mais prevalente do que pensávamos. Os resultados, sem dúvida, levarão a inúmeras surpresas tanto na ciência dos materiais quanto na ciência planetária nos próximos anos. "