Descubren átomos inmóviles en metales fundidos que alteran su solidificación

Investigadores de la Universidad de Nottingham y la Universidad de Ulm en Alemania descubrieron que algunos átomos en líquidos no se mueven, incluso a temperaturas extremas. Estos átomos fijos alteran significativamente la forma en que los materiales se solidifican, creando un estado híbrido de materia conocido como líquido superenfriado corralado.

La solidificación de los materiales es un proceso crucial en diversas aplicaciones, desde la formación de hielo hasta la industria farmacéutica y metalúrgica. Para investigar cómo se forman los sólidos, los científicos utilizaron microscopía electrónica de transmisión para observar nano-gotas de metal fundido mientras se solidificaban. Los hallazgos fueron publicados el 9 de diciembre en la revista ACS Nano.

El profesor Andrei Khlobystov, líder del equipo, comentó: "Cuando pensamos en la materia, típicamente consideramos tres estados: gas, líquido y sólido. Mientras que el comportamiento de los átomos en gases y sólidos es más fácil de entender, los líquidos siguen siendo más misteriosos".

En los líquidos, los átomos se mueven de manera compleja, similar a personas en una calle concurrida. Esta dinámica es difícil de estudiar, especialmente en el momento crítico en que un líquido comienza a solidificarse, lo que determina la estructura y propiedades funcionales del material.

El Dr. Christopher Leist, quien realizó experimentos de microscopía electrónica en Ulm, explicó que comenzaron fundiendo nanopartículas de metales como platino, oro y paladio sobre un soporte delgado de grafeno. A medida que los metales se fundían, los átomos comenzaron a moverse rápidamente, pero algunos permanecieron inmóviles, fijados a defectos puntuales en el soporte.

Los investigadores descubrieron que estos átomos fijos desempeñan un papel crucial en la dirección de cómo un líquido se convierte en sólido. Cuando solo unos pocos átomos están fijados, un cristal puede crecer del líquido. Sin embargo, cuando muchos átomos permanecen en su lugar, interfieren con este proceso y bloquean la formación de cualquier cristal.

El profesor Khlobystov destacó que el efecto es notable cuando los átomos fijos forman un anillo que rodea el líquido. Una vez atrapado en este corral atómico, el líquido puede permanecer en estado líquido incluso a temperaturas significativamente inferiores a su punto de congelación, que para el platino puede ser tan bajo como 350 grados Celsius.

Si la temperatura se reduce lo suficiente, el líquido corralado eventualmente se convierte en sólido, pero no en un cristal regular, sino en un sólido amorfo, una forma de metal sin la estructura ordenada de un cristal. Este metal amorfo es altamente inestable y existe solo mientras los átomos fijos continúan confinándolo.

El Dr. Jesum Alves Fernandes, experto en catálisis, indicó que el descubrimiento de este nuevo estado híbrido de metal es significativo, especialmente porque el platino sobre carbono es uno de los catalizadores más utilizados en el mundo. Encontrar un estado líquido confinado con comportamiento de fase no clásico podría cambiar la comprensión de cómo funcionan los catalizadores.

Los investigadores sugieren que al organizar cuidadosamente las posiciones de los átomos fijos en una superficie, podrían construir corrales atómicos más grandes y complejos. Este control sobre metales raros podría llevar a un uso más eficiente de estos materiales en tecnologías limpias, incluyendo la conversión y almacenamiento de energía.

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