Imagine se você pudesse olhar para uma pequena quantidade de um elemento químico não identificado - menos de 100 átomos de tamanho - e saber que tipo de material o elemento se tornaria em grandes quantidades antes de realmente ver o acúmulo maior.

Esse pensamento há muito animou o trabalho de Julius Jellinek, cientista sênior emérito da divisão de Ciências Químicas e Engenharia do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Sua recente descoberta com o colaborador de longa data Koblar Jackson, um professor do Departamento de Física da Central Michigan University, tem o potencial de impactar dramaticamente a disciplina da ciência em nanoescala.

De acordo com Jellinek, a classificação de elementos e materiais em grandes quantidades em diferentes tipos - metais, semicondutores e isoladores - está bem estabelecido e compreendido. Mas a identificação de tipos de materiais em nanoescala não é tão simples. Na verdade, mesmo que o termo "nanomateriais" seja amplamente utilizado, a ciência dos materiais em nanoescala ainda não foi totalmente desenvolvida.

"Elementos e compostos em quantidades muito pequenas, ou nanoquantidades, se comportam de maneira muito diferente de suas contrapartes em massa, "Jellinek explicou. Por exemplo, pequenos aglomerados atômicos de elementos que são metais em grandes quantidades apenas assumem características metálicas à medida que aumentam de tamanho.

Este fenômeno é conhecido como transição induzida por tamanho para metalicidade, e isso levou Jellinek e Jackson a perguntar:É possível prever que tipo de material um elemento não identificado estará em grandes quantidades apenas com base nas propriedades que exibe ao longo de uma faixa limitada do regime de tamanho subnano a nano?

A resposta acabou sendo enfática, e algo surpreendente, "sim."

Em seu jornal, "Universalidade na evolução orientada pelo tamanho em direção à polarizabilidade em massa dos metais", publicado como uma Comunicação em 7 de outubro, 2018, emissão de Nanoescala , Jellinek e Jackson mostraram que, usando sua análise de polarizabilidade em nível atômico desenvolvida anteriormente, eles poderiam prever se um elemento não identificado seria um metal ou não metal em grandes quantidades, observando as propriedades de polarizabilidade de seus pequenos aglomerados. (A polarizabilidade descreve como os sistemas e materiais respondem a um campo elétrico externo.)

Além disso, se um elemento não identificado for um metal a granel, usando os mesmos dados de polarizabilidade de tamanho pequeno, pode-se estabelecer sua identidade química exata.

Outra descoberta notável relatada no artigo é que os aglomerados de todos os elementos metálicos evoluem para o estado metálico em massa de uma maneira universal, conforme medido por uma característica baseada na polarizabilidade que Jellinek e Jackson chamam de "grau de metalicidade". Disse Jellinek:"Introduzimos uma nova constante universal e novas equações de escala universal na física dos metais."

As novas equações de escala tornam mais fácil e direto para os cientistas determinar a polarizabilidade de qualquer tamanho de cluster de qualquer elemento metálico com base na polarizabilidade em massa correspondente do elemento. No passado, isso exigiria cálculos longos - e caros - para cada caso individual. "O que teria levado dias, semanas ou mesmo meses para cobrir uma variedade de tamanhos agora leva uma fração de segundo usando essas equações universais, "Jellinek disse.

Talvez o mais significativo, o estudo representa um passo importante na construção das bases da ciência dos materiais em nanoescala; faz uma contribuição fundamental para a compreensão da evolução do tamanho em direção ao estado metálico em massa. (Jellinek disse que o estudo inclui uma provisão para possíveis exceções - o que ele chama de "metais exóticos" - caso sejam encontrados no futuro.)

Para Jellinek pessoalmente, depois de mais de 31 anos na Argonne e tendo recentemente assumido um cargo emérito, a descoberta foi particularmente satisfatória - e surpreendente, porque originalmente ele e Jackson esperavam encontrar outra coisa.

"No início, esperávamos estabelecer semelhanças em uma escala menor dentro de diferentes grupos de elementos metálicos, e ficamos desapontados porque os resultados não estavam atendendo a essa expectativa, "disse ele." Mas então vimos que os diferentes grupos estavam se comportando de uma maneira universal. Em ciência, quando algo emerge de maneira diferente do que você esperava, muitas vezes acaba sendo novo e interessante. Contudo, é muito raro descobrir algo que seja universal. "

Jellinek considerou o resultado uma das melhores coisas que ele fez em sua longa e distinta carreira, acrescentando:"É por isso que é divertido ser um cientista. Quando você obtém algo fundamental e verdadeiramente novo, é uma recompensa que nada mais pode substituir. A próxima tarefa é tentar descobrir possíveis semelhanças, talvez até universalidade, em evolução de tamanho para o estado de massa para elementos que não são metais. "