p Transições diárias de um estado da matéria para outro, como congelamento, fusão ou evaporação - comece com um processo chamado "nucleação, "em que minúsculos aglomerados de átomos ou moléculas (chamados de" núcleos ") começam a se aglutinar. A nucleação desempenha um papel crítico em circunstâncias tão diversas como a formação de nuvens e o início de doenças neurodegenerativas. p Uma equipe liderada pela UCLA ganhou uma visão nunca antes vista da nucleação - capturando como os átomos se reorganizam na resolução atômica 4-D (ou seja, em três dimensões do espaço e ao longo do tempo). As evidências, publicado no jornal Natureza , diferem das previsões baseadas na teoria clássica da nucleação que há muito aparece nos livros didáticos.

p "Este é um experimento verdadeiramente inovador - não apenas localizamos e identificamos átomos individuais com alta precisão, mas também monitorar seu movimento em 4-D pela primeira vez, "disse o autor sênior Jianwei" John "Miao, um professor de física e astronomia da UCLA, que é vice-diretor do Centro de Ciência e Tecnologia da Fundação Nacional de Ciência STROBE e membro do California NanoSystems Institute da UCLA.

p Pesquisa pela equipe, que inclui colaboradores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Universidade do Colorado em Boulder, University of Buffalo e University of Nevada, Reno, baseia-se em uma poderosa técnica de imagem desenvolvida anteriormente pelo grupo de pesquisa de Miao. Esse método, chamado de "tomografia de elétrons atômicos, "usa um microscópio eletrônico de última geração localizado na Fundição Molecular do Berkeley Lab, que imagens de uma amostra usando elétrons. A amostra é girada, e da mesma forma que uma tomografia computadorizada gera um raio-X tridimensional do corpo humano, A tomografia de elétrons atômicos cria imagens 3D impressionantes de átomos dentro de um material.

p Miao e seus colegas examinaram uma liga de ferro-platina formada em nanopartículas tão pequenas que leva mais de 10, 000 colocados lado a lado para cobrir a largura de um cabelo humano. Para investigar a nucleação, os cientistas aqueceram as nanopartículas a 520 graus Celsius, ou 968 graus Fahrenheit, e tirou fotos após 9 minutos, 16 minutos e 26 minutos. Nessa temperatura, a liga sofre uma transição entre duas fases sólidas diferentes.

p Embora a liga pareça a mesma a olho nu em ambas as fases, uma inspeção mais detalhada mostra que os arranjos atômicos 3-D são diferentes uns dos outros. Após o aquecimento, a estrutura muda de um estado químico confuso para um mais ordenado, com camadas alternadas de átomos de ferro e platina. A mudança na liga pode ser comparada à resolução de um Cubo de Rubik - a fase confusa tem todas as cores misturadas aleatoriamente, enquanto a fase ordenada tem todas as cores alinhadas.

p Em um processo meticuloso liderado pelos co-primeiros autores e estudiosos de pós-doutorado da UCLA, Jihan Zhou e Yongsoo Yang, a equipe rastreou os mesmos 33 núcleos - alguns tão pequenos quanto 13 átomos - dentro de uma nanopartícula.

p "As pessoas pensam que é difícil encontrar uma agulha em um palheiro, "Miao disse." Quão difícil seria encontrar o mesmo átomo em mais de um trilhão de átomos em três momentos diferentes? "

p Os resultados foram surpreendentes, pois eles contradizem a teoria clássica da nucleação. Essa teoria afirma que os núcleos são perfeitamente redondos. No estudo, por contraste, núcleos formaram formas irregulares. A teoria também sugere que os núcleos têm uma fronteira nítida. Em vez de, os pesquisadores observaram que cada núcleo continha um núcleo de átomos que mudou para o novo, fase ordenada, mas o arranjo tornou-se cada vez mais confuso próximo à superfície do núcleo.

p A teoria de nucleação clássica também afirma que, uma vez que um núcleo atinge um tamanho específico, ele só fica maior a partir daí. Mas o processo parece ser muito mais complicado do que isso:além de crescer, núcleos no estudo encolheram, dividido e fundido; alguns se dissolveram completamente.

p "A nucleação é basicamente um problema não resolvido em muitos campos, "disse o co-autor Peter Ercius, um cientista da equipe da Molecular Foundry, uma instalação de nanociência que oferece aos usuários instrumentação de ponta e experiência para pesquisa colaborativa. "Assim que você consegue imaginar algo, você pode começar a pensar sobre como controlá-lo. "

p As descobertas oferecem evidências diretas de que a teoria clássica da nucleação não descreve com precisão os fenômenos no nível atômico. As descobertas sobre nucleação podem influenciar a pesquisa em uma ampla gama de áreas, incluindo física, química, Ciência de materiais, ciência ambiental e neurociência.

p "Ao capturar o movimento atômico ao longo do tempo, este estudo abre novos caminhos para estudar uma ampla gama de materiais, fenômenos químicos e biológicos, "disse o diretor do programa da National Science Foundation, Charles Ying, que supervisiona o financiamento do centro STROBE. "Este resultado transformador exigiu avanços inovadores na experimentação, análise e modelagem de dados, resultado que exigiu ampla expertise dos pesquisadores do centro e de seus colaboradores ”.