Estranho fenômeno de pele líquida descoberta na superfície do vidro: WebCuriosos

O gelo nem sempre é gelo do começo ao fim. Mesmo em temperaturas bem abaixo de zero, sua superfície pode ser revestida por uma película de átomos quase líquidos, com espessura geralmente de apenas alguns nanômetros.

O processo de sua formação é conhecido como pré-derretimento (ou 'derretimento superficial') e é por isso que seus cubos de gelo podem grudar mesmo no freezer.

Além do gelo, observamos uma camada superficial pré-derretida em uma ampla gama de materiais com estruturas cristalinas, aqueles onde os átomos internos estão dispostos em uma rede ordenada, como diamantes, quartzo e sal de cozinha.

Agora, pela primeira vez, os cientistas observaram o derretimento da superfície de uma substância que está em ruínas internas: o vidro.

O vidro e o gelo podem parecer muito semelhantes, mas muitas vezes são muito diferentes na escala atômica. Onde o gelo cristalino é bonito e organizado, o vidro é o que chamamos de sólido amorfo: Não tem nenhuma estrutura atômica real digna de nota. Em vez disso, seus átomos estão desordenadamente amontoados, mais como você esperaria ver em um líquido.

Isto, como seria de esperar, torna muito mais difícil detectar uma película pré-fundida quase líquida na superfície do vidro.

A detecção dessa camada líquida transparente geralmente é feita por experimentos envolvendo espalhamento de nêutrons ou raios X, que são sensíveis à ordem atômica.

Gelo sólido é pedido; o derretimento da superfície é menor. No vidro, é tudo uma bagunça, então a dispersão não seria uma ferramenta particularmente útil.

Os físicos Clemens Bechinger e Li Tian, ​​da Universidade de Konstanz, na Alemanha, adotaram uma abordagem diferente. Em vez de sondar um pedaço de vidro atômico, eles criaram algo chamado vidro coloidal – uma suspensão de esferas microscópicas de vidro suspensas em um líquido que se comporta como os átomos do vidro atômico.

Como as esferas são 10 mil vezes maiores que os átomos, seu comportamento pode ser visto diretamente ao microscópio e, portanto, estudado com mais detalhes.

Usando microscopia e dispersão, Bechinger e Tian examinaram de perto seu vidro coloidal e identificaram os sinais de derretimento da superfície; ou seja, as partículas na superfície moviam-se mais rapidamente do que as partículas no vidro abaixo dela.

Isto não foi inesperado. A densidade do vidro a granel é maior que a densidade da superfície, o que significa que as partículas da superfície têm literalmente mais espaço para se moverem. No entanto, numa camada abaixo da superfície, com até 30 diâmetros de partícula de espessura, as partículas continuam a mover-se mais rapidamente do que o vidro a granel, mesmo quando atingem densidades de vidro a granel.

“Nossos resultados demonstram que a fusão superficial dos vidros é qualitativamente diferente em comparação aos cristais e leva à formação de uma camada vítrea superficial,” os pesquisadores escrevem em seu artigo.

“Esta camada contém aglomerados cooperativos de partículas altamente móveis que são formadas na superfície e que proliferam profundamente no material por várias dezenas de diâmetros de partículas e muito além da região onde a densidade das partículas satura.”

Como a fusão superficial altera as propriedades da superfície de um material, os resultados oferecem uma melhor compreensão do vidro, o que é extremamente útil em uma variedade de aplicações, mas também bastante estranho.

Por exemplo, a alta mobilidade superficial poderia explicar por que filmes vítreos poliméricos e metálicos finos têm alta condutividade iônica em comparação com filmes espessos. Já estamos aplicando essa propriedade em baterias, onde esses filmes atuam como condutores iônicos.

Uma compreensão mais profunda desta propriedade, o que a causa e como ela pode ser induzida ajudará os cientistas a encontrar maneiras otimizadas e até novas de usá-la.

A pesquisa da equipe foi publicada em Comunicações da Natureza.