Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia desenvolveram uma nova técnica para estudar a superfície de diferentes tipos de vidro. Usando esta técnica, eles descobriram uma propriedade surpreendente da camada superior dos vidros, o que pode abrir caminho para o desenvolvimento de melhores materiais de vidro.

A pesquisa foi liderada por Yue Zhang, um estudante de pós-graduação no Departamento de Química da Escola de Artes e Ciências da Penn, e Zahra Fakhraai, professor assistente de química. Zhang recebeu um prêmio APS Padden pela pesquisa, que reconhece a excelência na pesquisa em física de polímeros.

A distinção entre cristais e líquidos é que, enquanto os cristais são ordenados e sólidos, os líquidos estão desordenados e podem se mover para encher qualquer recipiente em que estejam. Mas se alguém resfriar um líquido o suficiente, ele permaneceria desordenado enquanto o movimento de suas moléculas diminuiria tanto que pareceria sólido. É assim que os materiais amorfos, como os vidros, se formam.

Mel, por exemplo, é um líquido, mas quando é refrigerado, suas propriedades tornam-se mais semelhantes às de um sólido.

Os pesquisadores da Penn estavam investigando como interfaces ou superfícies, os limites entre duas fases da matéria, afetaria as propriedades dos vidros. De acordo com Fakhraai, quando uma superfície livre é introduzida no material, o movimento acelera novamente, que se propaga no filme.

Mesmo que o mel pareça sólido, as moléculas nos 5 ou 10 nanômetros principais permaneceriam líquidas e em movimento. Se uma agulha fosse colocada na superfície do mel, iria mergulhar e formar um menisco, permitindo que as moléculas se movam, ao passo que a mesma agulha não teria efeito sobre um sólido.

Em um artigo anterior publicado em Matéria Macia , os pesquisadores reduziram essa técnica a escalas de comprimento nanométrico usando um vírus como agulha e observaram as moléculas da superfície entrarem e lentamente tentarem formar um menisco ao redor do vírus. Embora as moléculas no centro do material possam levar milhões de anos para se mover, para as moléculas no topo, seria mais como algumas centenas de segundos.

"A técnica que desenvolvemos é realmente emocionante porque no campo não existem muitas técnicas para sondar diretamente os movimentos da superfície, "Zhang disse." Nossa técnica é muito eficiente e matematicamente simples, e podemos facilmente estendê-lo a outros sistemas. "

Um dos aspectos mais desafiadores do desenvolvimento da técnica, Fakhraai disse, estava descobrindo que eles poderiam usar vírus para investigar os materiais.

"Por alguns anos, tentamos sintetizar nanobastões que pareciam agulhas e eram longos e uniformes o suficiente, "disse ela." Os vírus são perfeitos porque têm essas estruturas cristalinas que têm exatamente as dimensões certas de que precisamos. Pensar no vírus como uma nanopartícula realmente nos ajudou a seguir em frente. "

Usando esta técnica, os pesquisadores queriam determinar como o movimento das moléculas na superfície livre está associado ao movimento abaixo. Em particular, eles queriam ver se as moléculas na superfície seriam afetadas se o movimento das moléculas abaixo delas fosse acelerado ou desacelerado.

Em outro artigo anterior publicado em Cartas de revisão física , os pesquisadores usaram diferentes técnicas de deposição para melhor embalar as moléculas e formar vidros estáveis. Isso tornou tudo extremamente lento a ponto de levar mais tempo do que a idade do universo para que as moléculas no centro se movessem.

Em seu artigo mais recente, publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , eles aceleraram tudo fazendo filmes mais finos, que teria uma superfície mais livre.

"Com base em muitas teorias diferentes, seria de se esperar que os movimentos no centro e na superfície livre estivessem acoplados, "Fakhraai disse." O exemplo que eu gosto de dar é se você diz que está na frente do desfile e está se movendo mais rápido, as coisas devem seguir você. Mas não é assim que acontece. A camada superior imediata realmente não acopla:essas moléculas podem se mover sem afetar o que está acontecendo por trás delas. "

Esses resultados, ela disse, foram surpreendentes. Embora houvesse muitas ideias diferentes sobre a existência dessa correlação, ninguém realmente tinha medido antes. Eles descobriram que, não importa o tipo de movimento, as moléculas no topo e as moléculas no centro não têm efeito uma sobre a outra.

Os pesquisadores esperam ser capazes de sondar a segunda e terceira camadas, que pode ser importante no processo de densificação dos materiais durante a deposição, que é a base para fazer vidros estáveis ​​e é de importância tecnológica. Uma vez que as moléculas da primeira camada não são afetadas pelo movimento das moléculas abaixo delas, o movimento das camadas subjacentes torna-se crucial no processo.

"Achamos que são realmente as moléculas da segunda e terceira camadas que estão participando desse processo de densificação, e as moléculas na superfície livre são como um mar de objetos livres que podem fornecer essa mobilidade, mas não necessariamente participam do processo, "Disse Fakhraai.

Eles também esperam entender melhor a transição das partículas que se movem rapidamente na superfície para as moléculas que se movem extremamente lentas no centro. As pessoas que estão na frente de um desfile são livres para se movimentar, Fakhraai explicou, mas quanto mais fundo você vai no desfile, o movimento torna-se mais restrito.

"A questão é quão profundo é o efeito e como esse processo acontece, "Disse Fakhraai." Como faço para mudar de algo que leva 100 segundos para ser movido para algo que leva bilhões de anos? Acho que esse é o próximo grande desafio no campo:entender esse gradiente. "

De acordo com Fakhraai, a investigação desse processo permitirá aos pesquisadores não apenas compreender melhor as teorias, mas também aprimorar os revestimentos de materiais e projetar melhores materiais amorfos.

"Nós entendemos o que acerta o relógio no meio do filme, mas não sabemos o que acerta o relógio para essas moléculas de superfície, "Fakhraai disse." Acho que isso é algo para se entender mais no futuro. "