Pesquisa publicada no Proceedings of the National Academy of Sciences descreve um novo tipo de líquido em filmes finos, que forma um vidro de alta densidade. Resultados gerados neste estudo, conduzido por pesquisadores do Departamento de Química da Penn, demonstrar como esses vidros e outros materiais semelhantes podem ser fabricados para serem mais densos e estáveis, fornecendo uma estrutura para o desenvolvimento de novos aplicativos e dispositivos por meio de um design melhor.

O vidro é normalmente criado por meio da solidificação, ou caindo fora de equilíbrio, de um líquido quando ele é resfriado a uma temperatura na qual seu movimento é interrompido. A estrutura de um vidro se assemelha muito à fase líquida, mas suas propriedades são semelhantes às dos sólidos, semelhante a um cristal.

Óculos que são feitos de ultrafinos, filmes em escala nanométrica são amplamente utilizados em aplicações como telas OLED e fibras ópticas. Mas quando esses tipos de vidros são feitos em filmes finos, mesmo em temperaturas frias, eles se comportam mais como um líquido, e o material resultante pode estar sujeito à formação de gotículas ou cristalização, que limita o tamanho dos menores recursos possíveis.

Para fazer óculos melhores, os pesquisadores usaram a deposição de vapor em vez de resfriar um líquido para produzir um vidro. Na deposição de vapor, um material é transformado de um gás em um sólido diretamente. Embora este método tenha permitido aos pesquisadores criar tipos mais densos de vidros volumosos, inicialmente pensava-se que filmes finos de vidro feitos usando este método ainda teriam as mesmas propriedades de líquido que levariam à degradação e instabilidade.

Mas Yi Jin, um recente Ph.D. graduado que trabalhou no laboratório de Zahra Fakhraai, fez experimentos e descobriu que esse não era o caso. "Yi continuou descobrindo propriedades diferentes, nenhum dos dados fazia sentido, e, assim, cavamos mais fundo até que tivéssemos dados suficientes para montar uma imagem, "diz Fakhraai.

Jin passou vários anos conduzindo experimentos detalhados, de mudar o substrato de vidro, propriedades, e taxas de deposição para garantir que todo o seu equipamento foi completamente limpo para descartar contaminação ou erro experimental.

Depois de executar todos os experimentos de controle necessários, os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que, ao usar a deposição de vapor, eles poderiam acessar um tipo diferente de líquido, com uma transição de fase para o líquido a granel típico após aquecimento. Uma transição de fase é quando um material muda de um estado (gás, líquido, ou sólido) em outro. “Os dois líquidos têm estruturas distintas, semelhante ao grafeno e ao diamante, que são sólidos feitos de carbono, mas existem em formas sólidas muito diferentes. "

"Existem muitas propriedades interessantes que surgiram do nada, e ninguém tinha pensado que em filmes finos você seria capaz de ver essas fases, "diz Fakhraai." É um novo tipo de material. "

Usando deposição de vapor, os pesquisadores podem criar vidros de filme fino muito denso, correspondente ao empacotamento desta nova fase líquida, com uma densidade muito maior do que o previsto para ser possível sem a aplicação de imensas quantidades de pressão. Filmes finos desses vidros podem ter valores de densidade ainda maiores do que os do cristal.

Para confirmar o que eles estavam vendo, os pesquisadores também obtiveram informações estruturais detalhadas mostrando como as moléculas individuais são embaladas usando equipamentos do Laboratório Nacional de Brookhaven. Essa análise ajudou os pesquisadores a confirmar que o que estavam vendo não era apenas um cristal, mas uma fase inteiramente nova no vidro.

Outra hipótese com base nos dados que coletaram até agora é que a capacidade de acessar esta fase única se deve à geometria do vidro, o que significa que este trabalho pode ter implicações para outros tipos de materiais também. “Estamos desenvolvendo materiais que estão tentando cair em termos de escala, "diz Jin sobre seu trabalho atual na indústria de ciência de materiais." Pelo que vemos nos vidros, também pode haver fenômenos interessantes que emergem de outros materiais, como materiais metálicos que são comumente usados ​​em semicondutores, por exemplo."

Os pesquisadores do laboratório de Fakhraai já estão trabalhando em experimentos de acompanhamento para aprender mais sobre os parâmetros cruciais que levam a essa transição de fase única. Isso inclui estudar filmes durante o processo de deposição e "ampliar" a região de transição de fase para aprender mais sobre esse fenômeno recém-descoberto. Este trabalho também é crucial para obter uma melhor compreensão dos óculos como um todo, diz Fakhraai, onde permanece uma desconexão entre teorias que poderiam fornecer uma plataforma preditiva para o desenvolvimento de novos materiais em aplicações e novas tecnologias.

“Para embalar as vacinas Moderna ou Pfizer, você precisa de um copo que pode ficar bem baixo na temperatura e não quebrar, e o fato de que essa tecnologia existe é um grito de quão bem podemos projetar a mecânica do vidro a granel, "ela diz." Nossa esperança é que esse entendimento fundamental motive mais aplicações e uma melhor capacidade de projetar vidros de filme fino com propriedades igualmente aprimoradas. Se as relações estrutura-propriedade forem entendidas em filmes finos, podemos fazer melhor por design. "