Descubierto un nuevo estado híbrido de los agregados: el material puede ser sólido y líquido al mismo tiempo
Sólida, líquida y gaseosa: éstas son las principales formas conocidas de la materia. Científicos de la Universidad de Ulm y la Universidad de Nottingham han demostrado un estado completamente nuevo en el que la materia tiene propiedades tanto sólidas como líquidas. Así, los líquidos confinados por átomos estacionarios permanecen líquidos incluso muy por debajo de su punto de congelación. El descubrimiento podría conducir a catalizadores más eficaces y sostenibles.
Cuando un metal se funde, sus átomos se mueven libremente como individuos en una multitud. Sin embargo, un equipo de investigación germano-británico de la Universidad de Ulm ha hecho un descubrimiento sorprendente: En el metal líquido, algunos átomos permanecen firmemente en su posición e influyen así en el proceso de solidificación. Como resultado, se pueden encontrar características de sólidos y líquidos combinadas en el mismo material. El estudio se publica en la revista especializada ACS Nano.
"Utilizando nuestro microscopio de bajo voltaje SALVE, único en el mundo, pudimos observar por primera vez cómo se comportan las gotas de metal fundido a nivel atómico", explica el Dr. Christopher Leist. El primer autor llevó a cabo los experimentos en Ulm utilizando el microscopio electrónico SALVE. "Calentamos nanopartículas metálicas como platino, oro y paladio, que se depositaron sobre un soporte atómicamente fino: el grafeno". Al fundirse las partículas, sus átomos empezaron a moverse rápidamente, como era de esperar. "Para nuestra sorpresa, sin embargo, nos dimos cuenta de que átomos individuales permanecían en ciertos lugares como si hubieran estado clavados". Esto se debe a defectos en la estructura cristalina del material portador, donde los átomos fijos están fuertemente unidos al grafeno.
Los investigadores también descubrieron que el número de estos defectos en el material portador y, por tanto, el número de átomos metálicos fijos puede manipularse específicamente y aumentarse utilizando el haz del microscopio electrónico. "Si sólo hay unos pocos átomos fijos, se forma un cristal a partir del líquido y crece gradualmente", explica el catedrático Ute Kaiser, director del Centro SALVE de la Universidad de Ulm. "Sin embargo, si hay muchos átomos fijos, el proceso de solidificación se ralentiza y se impide la formación de cristales". Esta fase de solidificación también es especialmente importante para las aplicaciones industriales, ya que determina la estructura y las propiedades funcionales de un material.
Resulta especialmente emocionante cuando los átomos fijos forman un cerco circular alrededor de la materia líquida, como ha conseguido el equipo de investigación. "Una vez que el líquido queda atrapado en este 'cerco atómico', puede permanecer líquido incluso cuando la temperatura desciende muy por debajo del punto en el que normalmente se solidifica el material", subraya el jefe del equipo de investigación, el profesor Andrei Khlobystov, de la Universidad de Nottingham. En el caso del platino, esto significa que puede seguir siendo líquido a 350 grados centígrados, un comportamiento totalmente inesperado, ya que es más de 1.000 grados más frío que el punto en el que el platino suele solidificarse". La profesora Elena Besley, experta en química teórica de la Universidad de Nottingham, añade: "Utilizando nuestro enfoque de dinámica molecular, pudimos demostrar que el líquido cercado es realmente estable."
El Dr. Jesum Alves Fernandes, especialista en catálisis de la Universidad de Nottingham, ve en ello grandes oportunidades. Al fin y al cabo, los catalizadores de platino sobre carbono están entre los más utilizados del mundo. "Si entendemos cómo se organizan y mueven los átomos fijos, podríamos desarrollar catalizadores que se limpien solos y sigan siendo eficaces durante mucho más tiempo", afirma Alves Fernandes.
"Nuestro logro podría anunciar una nueva forma de materia que combine las propiedades de los sólidos y los líquidos en un solo material", está convencido el equipo. Los investigadores esperan que, manipulando las posiciones de los átomos estacionarios, se puedan formar en el futuro envolturas más largas y complejas. De este modo, los metales raros podrían utilizarse de forma más eficiente, por ejemplo en la conversión y el almacenamiento de energía.
El estudio ha sido financiado por el programa del EPSRC "Átomos metálicos en superficies e interfaces (MASI) para un futuro sostenible", que aborda los retos del uso sostenible de los elementos raros en el futuro.
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