Em 1972, os físicos J. Michael Kosterlitz e David Thouless publicaram uma teoria inovadora de como as mudanças de fase podem ocorrer em materiais bidimensionais. Os experimentos logo mostraram que a teoria capturou corretamente o processo de transição de um filme de hélio de um superfluido para um fluido normal, ajudando a inaugurar uma nova era de pesquisa em materiais ultrafinos, para não mencionar ganhar Kosterlitz, um professor da Brown University, e Thouless compartilha do Prêmio Nobel de Física 2016.

Mas a teoria Kosterlitz-Thouless (K-T) pretendia explicar mais do que a transição do superfluido. A dupla também esperava que pudesse explicar como um sólido bidimensional poderia derreter em um líquido, mas os experimentos até agora falharam em validar claramente a teoria nesse caso. Agora, novas pesquisas de outro grupo de físicos de Brown podem ajudar a explicar a incompatibilidade entre teoria e experimento.

A pesquisa, publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences , mostra como as impurezas - átomos 'extras' na estrutura cristalina de um material - podem perturbar a ordem de um sistema e fazer com que a fusão comece antes que a teoria K-T previsse que deveria. As descobertas são um passo em direção a uma teoria física mais completa da fusão, dizem os pesquisadores.

"A transição sólido-líquido é algo com que estamos familiarizados, no entanto, é uma falha profunda da física moderna que ainda não entendemos exatamente como isso acontece, "disse Xinsheng Ling, professor de física na Brown e autor sênior do novo artigo. "O que mostramos é que as impurezas - que não estão incluídas na teoria K-T, mas sempre são encontradas em materiais reais - desempenham um papel importante no processo de fusão."

Embora os detalhes permaneçam um grande mistério, os cientistas têm uma compreensão básica de como os sólidos derretem. Conforme a temperatura aumenta, átomos na estrutura cristalina de um sólido começam a se agitar. Se a sacudidela se tornar violenta demais para a rede se manter unida, o sólido derrete em um líquido. Mas como exatamente o processo de fusão começa e por que ele começa em certos lugares em um sólido em vez de outros não são conhecidos.

Para este novo estudo, os pesquisadores usaram minúsculas partículas de poliestireno suspensas em água altamente desionizada. As forças elétricas entre as partículas carregadas fazem com que elas se organizem em uma estrutura semelhante a um cristal, semelhante à forma como os átomos estão dispostos em um material sólido. Usando um feixe de laser para mover partículas individuais, os pesquisadores podem ver como os defeitos da rede afetam a ordem da rede.

Os defeitos podem vir em duas formas gerais - vagas, onde as partículas estão faltando, e intersticiais, onde há mais partículas do que deveria. Este novo estudo analisou em particular o efeito dos intersticiais, que nenhum estudo anterior havia investigado.

A pesquisa descobriu que, embora um intersticial em uma determinada região fizesse pouca diferença no comportamento da rede, dois intersticiais fizeram uma grande diferença.

"O que descobrimos foi que dois defeitos intersticiais quebram a simetria da estrutura de uma forma que defeitos únicos não, "Ling disse." Essa quebra de simetria leva ao derretimento local antes das previsões do K-T.

Isso porque a teoria K-T lida com defeitos que surgem de flutuações térmicas, e não defeitos que já possam ter existido na rede.

"Os materiais reais são confusos, "Ling disse." Sempre há impurezas. Simplificando, o sistema não consegue distinguir quais são impurezas e quais são defeitos criados por agitação térmica, o que leva ao derretimento antes do que seria previsto. "

A técnica usada para o estudo pode ser útil em outro lugar, dizem os pesquisadores. Por exemplo, pode ser útil no estudo da transição de vidro duro para um líquido viscoso, um fenômeno relacionado à transição sólido-líquido que também carece de uma explicação completa.

"Achamos que descobrimos acidentalmente uma nova maneira de descobrir mecanismos de quebra de simetria na física dos materiais, "Ling disse." O método em si pode acabar sendo a coisa mais significativa sobre este artigo, além das descobertas. "