Quando cultivamos cristais, os átomos primeiro se agrupam em pequenos aglomerados - um processo chamado nucleação. Mas entender exatamente como essa ordem atômica emerge do caos de átomos que se movem aleatoriamente há muito tempo iludiu os cientistas.

A teoria clássica da nucleação sugere que os cristais formam um átomo de cada vez, aumentando constantemente o nível de ordem. Estudos modernos também observaram um processo de nucleação em duas etapas, onde um temporário, a estrutura de alta energia se forma primeiro, que então se transforma em um cristal estável. Mas de acordo com uma equipe de pesquisa internacional co-liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), a história real é ainda mais complicada.

Suas descobertas, recentemente relatado no jornal Ciência , revelam que, em vez de agrupar um por um ou fazer uma única transição irreversível, átomos de ouro irão se auto-organizar, desmoronar, reagrupar, e, em seguida, reorganizar muitas vezes antes de estabelecer um estábulo, cristal ordenado. Usando um microscópio eletrônico avançado, os pesquisadores testemunharam esta rápida, processo de nucleação reversível pela primeira vez. Seu trabalho fornece percepções tangíveis sobre os estágios iniciais de muitos processos de crescimento, como deposição de filme fino e formação de nanopartículas.

"Enquanto os cientistas procuram controlar a matéria em escalas de comprimento menores para produzir novos materiais e dispositivos, este estudo nos ajuda a entender exatamente como alguns cristais se formam, "disse Peter Ercius, um dos principais autores do estudo e um cientista da equipe da Fundição Molecular do Berkeley Lab.

Em linha com o entendimento convencional dos cientistas, uma vez que os cristais no estudo alcançaram um certo tamanho, eles não voltaram mais para os desordenados, estado instável. Won Chul Lee, um dos professores orientadores do projeto, descreve desta forma:se imaginarmos cada átomo como um tijolo de Lego, então, em vez de construir uma casa com um tijolo de cada vez, Acontece que os tijolos se encaixam repetidamente e se separam novamente até que finalmente sejam fortes o suficiente para ficarem juntos. Assim que a base estiver definida, Contudo, mais tijolos podem ser adicionados sem interromper a estrutura geral.

As estruturas instáveis ​​eram visíveis apenas por causa da velocidade dos detectores recentemente desenvolvidos no TEAM I, um dos microscópios eletrônicos mais poderosos do mundo. Uma equipe de especialistas internos guiou os experimentos no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Fundição Molecular do Berkeley Lab. Usando o microscópio TEAM I, pesquisadores capturaram em tempo real, imagens de resolução atômica em velocidades de até 625 quadros por segundo, que é excepcionalmente rápido para a microcopia eletrônica e cerca de 100 vezes mais rápido do que estudos anteriores. Os pesquisadores observaram átomos de ouro individuais à medida que se formavam em cristais, separou-se em átomos individuais, e então reformado repetidamente em diferentes configurações de cristal antes de finalmente estabilizar.

"Observações mais lentas perderiam isso muito rápido, processo reversível e apenas ver um borrão em vez das transições, o que explica por que esse comportamento de nucleação nunca foi visto antes, "disse Ercius.

A razão por trás desse fenômeno reversível é que a formação de cristais é um processo exotérmico, ou seja, ele libera energia. Na verdade, a própria energia liberada quando os átomos se ligam aos minúsculos núcleos pode elevar a "temperatura" local e derreter o cristal. Desta maneira, o processo inicial de formação do cristal funciona contra si mesmo, flutuando entre ordem e desordem muitas vezes antes de construir um núcleo que seja estável o suficiente para suportar o calor. A equipe de pesquisa validou esta interpretação de suas observações experimentais, realizando cálculos de reações de ligação entre um átomo de ouro hipotético e um nanocristal.

Agora, os cientistas estão desenvolvendo detectores ainda mais rápidos que podem ser usados ​​para obter imagens do processo em velocidades mais altas. Isso poderia ajudá-los a entender se há mais características de nucleação escondidas no caos atômico. A equipe também espera localizar transições semelhantes em diferentes sistemas atômicos para determinar se esta descoberta reflete um processo geral de nucleação.

Um dos principais autores do estudo, Jungwon Park, resumiu o trabalho:“Do ponto de vista científico, descobrimos um novo princípio de processo de nucleação de cristal, e provamos isso experimentalmente. "