Os pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) descobriram um novo tipo incomum de transformação de fase no zircônio de metal de transição. O mecanismo subjacente a este novo tipo de transição de fase é o primeiro de seu tipo que já foi observado, e só podia ser visto com a aplicação de pressões muito altas. A pesquisa foi publicada recentemente por Revisão Física B como uma comunicação rápida.

A equipe realizou experimentos utilizando uma célula de bigorna de diamante, que comprimiu o elemento básico de zircônio a uma pressão de mais de 200 gigapascais (GPa), um pouco mais da metade da pressão encontrada no centro da Terra. Por várias décadas, sabe-se que o zircônio se transforma em uma estrutura de rede cúbica centrada no corpo (bcc) a pressões acima de 25 GPa. Esse não é o fim da história, no entanto:Continue comprimindo o zircônio além de 58 GPa e ele passará por outra transição de fase, mas, estranhamente, a rede atômica permanecerá bcc.

"Apesar de sistemas simples, como elementos metálicos, foram estudados sob compressão estática por mais de cinco décadas, ainda existem mecanismos físicos inexplorados envolvidos em seu comportamento estrutural, "disse Elissaios Stavrou, membro da equipe da Divisão de Ciência de Materiais do LLNL e principal autor da pesquisa.

Tendo uma transição de fase de primeira ordem, com mudanças no volume e entalpia, ainda permanecendo na mesma rede, é um tipo estranho de transição de fase conhecido como "isoestrutural". Antes deste estudo, o único elemento da tabela periódica que passava por uma transição isoestrutural era o cério. A transformação de fase no cério é impulsionada por mudanças na estrutura eletrônica que ocorrem com a compressão. Em zircônio, a transição isoestrutural não está ocorrendo devido a mudanças eletrônicas, mas em como os átomos estão vibrando.

De acordo com Stavrou, "As transições de fase de primeira ordem sob pressão estão geralmente associadas a estruturas de entalpia inferior ou transições eletrônicas. desafiamos esta intuição e destacamos que mecanismos alternativos, como anarmonicidade, poderia desencadear essa transição de fase, mesmo em temperatura ambiente. "

Para ajudar a desvendar o mecanismo em jogo, simulações de dinâmica molecular quântica - cálculos muito intensos que resolvem a equação de Schrödinger da mecânica quântica em linha com o movimento dos átomos na escala de tempo de picossegundos - revelaram que os modos vibracionais da rede de zircônio sofrem uma mudança repentina conforme seu volume é reduzido pela pressão aplicada , fazendo com que a transição de fase ocorra de uma maneira que é de primeira ordem.

"As simulações de primeiros princípios fornecem um complemento à descoberta experimental por meio do controle preciso das condições de simulação. Neste caso, fomos capazes de acionar a anarmonicidade da rede em nossas simulações e, portanto, fornecemos um esclarecimento do mecanismo que induz a transição de fase descoberta nesses experimentos, "explicou o físico Lin Yang, um especialista em simulação de dinâmica molecular quântica. Yang aponta que as simulações necessárias para observar esse mecanismo estão muito além do que os pesquisadores normalmente são capazes de sondar.

"A fim de desencadear o mecanismo de anarmonicidade na dinâmica da rede, tivemos que fazer simulações muito longas. Temos sorte que o LLNL abriga os supercomputadores mais poderosos do mundo que permitem essa escala de simulação, "disse Yang.

Mais intrigantemente, esta recente descoberta destaca a possibilidade de que existam outros elementos da tabela periódica que também podem possuir uma transição de fase isoestrutural anarmonicamente conduzida como o zircônio.

"O zircônio tem um comportamento interessante, mas no grande esquema das coisas é apenas outro metal de transição relativamente simples. E ainda, apesar de sua aparente simplicidade, estamos observando algum comportamento emergente bastante complexo em alta pressão. Quem pode dizer que outros metais chamados simples também podem não gerar uma complexidade considerável ?, "disse Jon Belof, líder de grupo na Divisão de Ciência de Materiais do LLNL e líder de projeto para P&D de transições de fase em alta pressão. "Agora que sabemos que esse mecanismo existe, sabemos o que procurar - a corrida agora começou para que o resto da comunidade de alta pressão encontrasse esses efeitos em outro lugar da tabela periódica. "