Por milênios, as pessoas usaram areia derretida e outros ingredientes para criar contas de vidro e da moda, embarcações, lentes e janelas.

Nos dias de hoje, vidros metálicos - feitos inteiramente de átomos de metal - estão sendo desenvolvidos para aplicações biomédicas, como agulhas cirúrgicas extra-afiadas, stents, e articulações ou implantes artificiais porque as ligas podem ser ultra-duras, extra forte, muito liso e resistente à corrosão.

Embora uma combinação de tentativa e erro e pesquisa científica ajudasse a refinar os processos de fabricação de vidro ao longo do tempo, controlar a criação de vidros metálicos no nível atômico continua sendo um esforço inexato informado em grande parte por longa experiência e intuição.

"Nosso trabalho, "diz Paul Voyles, "é construir um entendimento fundamental adicionando mais dados."

O professor Beckwith-Bascom em ciência de materiais e engenharia da Universidade de Wisconsin-Madison, Voyles e colaboradores em Madison e na Universidade de Yale fizeram avanços experimentais significativos para entender como, quando e onde os átomos em movimento constante no metal fundido "travam" no lugar conforme a transição do material do vidro líquido para o sólido.

Eles descreveram o que observaram sobre como esses átomos se reorganizam em diferentes temperaturas ao longo do tempo hoje (19 de março de 2018) no jornal Nature Communications . É o conhecimento que pode adicionar a tão necessária clareza experimental a várias teorias concorrentes sobre como esse processo, chamada de transição vítrea, ocorre. Também pode ajudar a reduzir o tempo e os custos associados ao desenvolvimento de novos materiais de vidro metálico, e fornecer aos fabricantes uma visão melhor do projeto do processo.

Um desafio de processamento é que, à medida que os metais passam do líquido fundido para o sólido, eles tendem a se formar em ordem, repetindo regularmente estruturas atômicas chamadas cristais. Em contraste, os materiais de vidro têm uma estrutura atômica altamente desordenada. E embora fazer um vidro metálico de alto desempenho soe tão simples quanto impedir que átomos de metal formem cristais à medida que o material esfria, na realidade, depende um pouco da sorte do sorteio.

“O processo que faz um vidro e o processo que faz um cristal competir entre si, e aquele que vence - aquele que acontece em um ritmo mais rápido - determina o produto final, "diz Voyles, cujo trabalho é apoiado pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA.

Em um líquido, todos os átomos estão passando uns pelos outros o tempo todo. À medida que um metal fundido esfria, e começa sua transição para um sólido, seus átomos ficam mais lentos e, eventualmente, param de se mover.

É uma dança complicada em nível atômico que os cientistas ainda estão descobrindo. Com base em sua experiência em microscopia eletrônica e análise de dados, Voyles e seus colaboradores mediram quanto tempo leva, na média, para um átomo ganhar ou perder átomos adjacentes à medida que seu ambiente flutua no líquido fundido.

"Um átomo é cercado por um monte de outros átomos, "Voyles diz." Em temperaturas realmente altas, eles saltam e a cada picossegundo (um trilionésimo de segundo), eles têm um novo conjunto de vizinhos. Conforme a temperatura diminui, eles ficam com seus vizinhos cada vez mais até ficarem permanentemente. "

Em altas temperaturas, todos os átomos se movem rapidamente. Então, conforme o líquido esfria, eles se movem mais lentamente; uma descrição simples pode ser que todos os átomos desaceleram juntos, na mesma taxa, até que parem de se mover e o material se torne um vidro sólido.

"Nós agora demonstramos experimentalmente que não é o que acontece, "diz Voyles.

Em vez, ele diz, Os experimentos de sua equipe confirmaram que o tempo que leva para os átomos se encaixarem varia amplamente - em pelo menos uma ordem de magnitude - de um lugar para outro dentro do mesmo líquido.

"Algumas regiões de tamanho nanométrico ficam 'pegajosas' primeiro e mantêm-se nas vizinhas por muito tempo, ao passo que entre os bits aderentes há bits que se movem muito mais rapidamente, "ele diz." Eles continuam a flutuar 10 vezes mais rápido do que nas partes lentas e então tudo fica mais lento, mas as partes pegajosas também ficam maiores até que 'ganham' e o material se torna sólido. "

Agora, ele e seus colaboradores estão trabalhando para entender como os arranjos atômicos diferem entre as partes lentas e rápidas.

"Essa é a próxima grande peça que falta no quebra-cabeça, " ele diz.

O avanço fornece informações valiosas sobre o processo fundamental através do qual cada material de vidro - de vidros de janela a garrafas plásticas, preparações farmacêuticas e muitos outros - faz a transição de líquido para sólido, disse Voyles.

"Isso é ciência realmente básica, ", diz ele." Mas o impacto potencial final para as aplicações é se realmente entendermos como isso funciona no nível atômico, isso nos dá a oportunidade de construir o controle que nos permite fazer óculos com o que queremos, em vez de apenas conseguir óculos quando tivermos sorte. "