Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade Waseda e da Universidade de Tóquio descobriu que a ordenação orbital em um composto de vanadato exibe um comportamento de crescimento de nucleação claro.

“Acreditamos que esta seja a primeira observação deste tipo, onde os elétrons em um sólido inorgânico criaram duas fases macias semelhantes a vapor e água, e onde um comportamento de nucleação-crescimento foi observado devido à tensão superficial criada entre as fases, "diz Takuro Katsufuji, professor de ciências físicas na Universidade Waseda e investigador principal deste estudo.

Os pesquisadores publicaram suas descobertas revisadas por pares em Nature Communications em 11 de maio, 2020.

Quando o vapor de água se condensa, o vapor se transforma em orvalho à medida que os núcleos de água se formam e crescem, fases de transição de gás para líquido. Esta formação e crescimento dos núcleos é chamado de processo de crescimento de nucleação, e ocorre em vários tipos de transições de fase.

Embora as transições de fase também ocorram em sólidos, um comportamento de crescimento de nucleação nunca foi observado durante as transições de fase baseadas em elétrons em materiais inorgânicos. A explicação mais provável é porque é necessário haver tensão superficial para que esse comportamento ocorra, mas os sólidos duros só podiam criar uma tensão superficial desprezível em comparação com uma energia elástica em massa.

Em seu estudo, Katsufuji e sua equipe usaram o composto de vanadato BaV ₁₀ O ₁₅ , um óxido com vanádio e bário. Anteriormente, eles descobriram que em 130K, ou aproximadamente -140 ° C, a direção dos orbitais possuídos pelos elétrons do vanádio se alinham, desencadeando uma transição de fase conhecida como ordenação orbital neste composto.

"Sabendo disso, o que fizemos em nosso estudo recente foi substituir parcialmente o vanádio por titânio, um elemento químico localizado à esquerda do vanádio na tabela periódica, para controlar a temperatura de transição do ordenamento orbital, "Katsufuji explica." Nós revelamos que o processo de nucleação-crescimento estava acontecendo medindo a dependência do tempo da resistividade elétrica, susceptibilidade magnética, e a tensão na ordenação orbital deste vanadato, e descobriu que os elétrons criaram duas fases moles como vapor-água neste sólido orgânico e que havia tensão superficial entre as duas fases. "

No passado, métodos para obter as características desejáveis ​​com coexistência de duas fases em sólidos foram testados com vários materiais e dispositivos, mas na maioria dos casos, tem sido difícil controlar a relação de volume e as formas das duas fases. Contudo, espera-se que, para essas fases suaves recém-descobertas, controlar a relação de volume e suas formas pode ser feito mais facilmente. Também, BaV ₁₀ O ₁₅ é conhecido por seu excelente desempenho como um material termoelétrico que pode gerar eletricidade a partir da diferença de temperatura, tornando este composto com duas fases coexistindo um material atraente.

Katsufuji acrescenta, "A razão pela qual o processo de crescimento de nucleação ocorre em BaV ₁₀ O ₁₅ Isso ocorre porque a tensão superficial entre as duas fases é bastante grande como resultado do acoplamento de graus de liberdade chamados orbitais e spins nos elétrons. Esperamos progredir na pesquisa a partir da perspectiva de que este é um novo fenômeno que surge de tais graus acoplados de liberdade dos elétrons. "

Os pesquisadores planejam medir várias quantidades físicas do composto vanadato em um estado onde as duas fases coexistem e entender como suas propriedades físicas podem mudar, bem como como suas características podem melhorar como um material funcional. Avançar, BaV ₁₀ O ₁₅ é o primeiro material como um composto inorgânico onde o processo de crescimento de nucleação foi observado, mas será necessário descobrir se existem outros materiais que exibem comportamento de crescimento de nucleação.