Três anos atrás, quando Richard Robinson, professor associado de ciência e engenharia de materiais, estava de licença sabática na Universidade Hebraica de Israel, ele pediu a um estudante de graduação que lhe enviasse algumas nanopartículas de um tamanho específico.

"Quando eles chegaram a mim, Eu os medi com o espectrômetro e disse:'Esperar, você me enviou as partículas menores em vez das maiores. ' E ele disse, 'Não, Eu te enviei os maiores, '"lembra Robinson, de sua conversa com seu conselheiro Curtis Williamson, Doutoranda em Engenharia Química e Biomolecular. "Percebemos que eles devem ter mudado enquanto estavam em vôo. E isso desencadeou uma cascata de perguntas e experimentos que nos levaram a essa nova descoberta."

Eles deduziram que as partículas haviam se transformado durante a viagem de Ítaca a Jerusalém. Essa constatação levou à descoberta da isomerização inorgânica, em que materiais inorgânicos são capazes de alternar entre estados discretos quase instantaneamente - mais rápido do que a velocidade do som. A descoberta preenche a lacuna entre o que se sabe sobre as mudanças de fase nas moléculas orgânicas, como aqueles que tornam a visão possível, e em materiais a granel, como a transição do grafite em diamantes.

Sua descoberta foi surpreendente porque implicava que materiais inorgânicos poderiam se transformar como moléculas orgânicas, disse Robinson, co-autor do artigo, "Isomerização quimicamente reversível de aglomerados inorgânicos, "que foi publicado em 15 de fevereiro em Ciência .

"Descobrimos que se você encolher material inorgânico pequeno o suficiente, ele pode facilmente saltar para frente e para trás entre duas fases discretas, iniciada por pequenas quantidades de álcool ou umidade na superfície, "Robinson disse." Durante o vôo, deve ter havido umidade no compartimento de carga, e as amostras mudaram de fase. "

Williamson é o primeiro autor do artigo. Os autores seniores são Robinson; Tobias Hanrath, professor associado da Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering; e Uri Banin, professor de química da Universidade Hebraica. Douglas Nevers, Ph.D. '18, Andrew Nelson, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais, e Ido Hadar da Universidade Hebraica também contribuíram.

"Nós unimos os dois mundos entre grandes materiais que mudam mais lentamente, e pequeno, materiais orgânicos que podem se mover para frente e para trás de forma coerente, entre dois estados, "Robinson disse." É surpreendente que vimos uma transformação instantânea de um estado para outro em um material inorgânico, e é surpreendente que seja iniciado com uma simples reação de superfície. "

Isomerização - a transformação de uma molécula em outra molécula com os mesmos átomos, apenas em um arranjo diferente - é comum na natureza. Muitas vezes é desencadeado pela adição de energia, como quando a luz faz com que uma molécula na retina mude, permitindo visão; ou como azeite, quando aquecido muito alto, isomeriza-se na forma prejudicial à saúde conhecida como gordura trans. Materiais a granel, como grafite, também podem mudar de fase, mas eles requerem muito mais energia do que no nível molecular e a mudança ocorre de forma mais gradual, com a mudança se espalhando pela substância, em vez de uma transformação instantânea.

No passado, Descobriu-se que nanopartículas maiores mudam de fase de uma forma que está mais próxima de como os materiais a granel mudam do que as moléculas. Mas quando a equipe de Cornell olhou para grupos ainda menores de átomos na Fonte Síncrotron de Alta Energia de Cornell (CHESS), eles observaram a rápida mudança entre estados discretos pela primeira vez.

"Agora finalmente vemos que há um novo regime onde você pode passar coerentemente de um estado para outro instantaneamente, "Hanrath disse." Se você torná-los pequenos o suficiente, os materiais inorgânicos podem saltar para a frente e para trás com muita facilidade. É uma revelação. "

Robinson disse que os pesquisadores não teriam sido capazes de determinar com precisão as posições dos átomos sem o CHESS, onde realizaram experimentos de espalhamento total em que examinaram todos os espalhamento de raios-X do aglomerado, permitindo-lhes identificar as localizações dos átomos.

Eles também foram auxiliados por uma nova técnica que desenvolveram para criar aglomerados de tamanho mágico - assim chamados porque têm o número "perfeito" de átomos e nenhum outro átomo individual pode ser adicionado, tornando-os extremamente estáveis.

"Conseguimos criar um cluster de tamanho mágico muito puro, "Robinson disse." Por causa disso, quando ele reage com o álcool ou a água, você vê uma transformação muito pura "de um estado discreto para outro.

Embora mais pesquisas sejam necessárias, possíveis aplicações futuras incluem o uso dessas partículas como interruptores na computação ou como sensores, Disse Robinson. A descoberta também pode ter usos relacionados à computação quântica ou como uma semente para a geração de nanopartículas maiores.