Resumo:
Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA) anunciou recentemente um novo estudo sobre a formação de cristais. Pela primeira vez, os cientistas usaram tecnologia de imagem atômica tridimensional para observar o processo de nucleação do cristal, átomo por átomo, e descobriram que não há um limite claro entre a estrutura ordenada dentro do cristal e o material desordenado circundante, conforme descrito pela teoria clássica. A descoberta pode mudar a compreensão fundamental de como os cristais se formam durante as transições de fase na matéria.
Por quase um século, os cientistas confiaram na teoria clássica da nucleação para explicar processos de mudança de fase, como congelamento de líquidos e condensação de gases. Esta teoria sustenta que algumas pequenas regiões ordenadas, conhecidas como núcleos cristalinos, se formarão primeiro dentro da substância, e então esses núcleos cristalinos continuarão a crescer, eventualmente formando cristais completos. As equações centrais que sustentam esta teoria foram apoiadas por milhares de experimentos.
No entanto, quando os pesquisadores observaram a formação de cristais no espaço tridimensional, átomo por átomo, a estrutura real do núcleo do cristal era diferente daquela prevista pelo modelo clássico. A equipe de pesquisa utilizou nanopartículas de ligas complexas compostas por múltiplos elementos metálicos e desenvolveu um método para congelar os núcleos cristalinos em diferentes estágios de formação, permitindo observar esse processo, que geralmente ocorre de forma extremamente rápida.
Os pesquisadores descobriram que a transição dos cristais ordenados para o material desordenado circundante ocorre gradualmente, e não repentinamente, com uma linha divisória clara. Jianwei “John” Miao, professor de física e astronomia da UCLA, membro do California Nanosystems Institute e autor correspondente do artigo, disse que o núcleo do cristal não tem uma estrutura interna uniforme e limites claros conforme descrito pela teoria clássica da nucleação. Pelo contrário, a região central de cada núcleo cristalino apresenta a maior cristalinidade. Quanto mais próximo da fronteira, mais desordenado se torna o arranjo atômico, formando um gradiente contínuo.
Para explicar esse fenômeno, a equipe de pesquisa propôs um "modelo de caminho de nucleação gradiente" mais complexo. Este novo modelo não derruba a teoria clássica da nucleação, mas antes a amplia. Miao disse que a teoria clássica pode, na verdade, ser considerada um caso especial do novo modelo: se este caso especial for inserido nas novas equações, você poderá obter exatamente os mesmos resultados que a teoria clássica da nucleação. Mas em experiências reais, os investigadores nunca observaram limites claros à escala atómica, em vez disso viram esta estrutura gradiente repetidamente.
O processo de nucleação existe amplamente em sistemas naturais e de engenharia, como formação de gotículas de nuvens e fabricação industrial. Portanto, a recompreensão desse processo poderá afetar múltiplos campos de pesquisa e servir de referência para o desenvolvimento de novas tecnologias.
Para capturar os diferentes estágios da formação de cristais, os pesquisadores primeiro aqueceram as nanopartículas a mais de 3.000 graus Fahrenheit (cerca de 1.649 graus Celsius) e depois as resfriaram rapidamente até a temperatura ambiente em alguns centésimos de segundo. O resfriamento rápido inicia o processo de formação de cristais, ao mesmo tempo que faz com que os núcleos cristalinos em diferentes nanopartículas permaneçam em seus próprios estágios de desenvolvimento.
Miao explicou que o tempo necessário para a recolha de dados é muito maior do que o próprio processo de nucleação, pelo que os investigadores devem primeiro "congelar" o processo de formação de cristais antes de poderem estudar o fenómeno de nucleação em diferentes fases.
A equipe de pesquisa usou então a tomografia eletrônica atômica para realizar uma reconstrução tridimensional átomo por átomo de cada nanopartícula e usou análise estatística avançada para quantificar o grau de ordem em diferentes regiões. Todo o conjunto de dados contém mais de 8.000 núcleos, variando em tamanho de menos de 10 átomos a mais de 1.000 átomos.
Os investigadores observaram repetidamente o mesmo padrão nestes núcleos: o grau de ordem atómica era mais elevado na região central e diminuía gradualmente em direção à superfície. À medida que o núcleo do cristal continua a crescer, o grau de ordem na sua região central aumentará ainda mais.
Essas estruturas gradientes também mudam a compreensão dos pesquisadores sobre a energia necessária para formar núcleos cristalinos. A teoria clássica da nucleação sustenta que os núcleos cristalinos devem superar um claro requisito mínimo de energia, a chamada barreira de energia. Apenas alguns núcleos de cristal com energia suficiente podem atravessar esta “parede”.
No entanto, resultados experimentais mostram que o processo de nucleação pode não cruzar a barreira energética de uma só vez, mas é gradualmente concluído através de múltiplos estágios intermediários. Miao comparou isso a escalar uma parede: a teoria clássica sustenta que o núcleo do cristal deve subir diretamente sobre uma parede, mas os resultados da investigação mostram que a natureza pode ter adotado uma forma mais eficiente, subindo passo a passo através de uma escada e utilizando múltiplos estados intermédios para ultrapassar barreiras energéticas. A equipe de pesquisa acredita que o novo modelo de caminho de nucleação gradiente pode descrever esse processo e explicar por que os núcleos cristalinos podem ser formados de forma mais eficiente.
O processo completo de mudança de fase também requer que diferentes núcleos de cristal se combinem entre si. A equipe de pesquisa também descobriu um fenômeno inesperado nesse processo: muitos núcleos de cristal próximos uns dos outros já têm quase a mesma orientação antes de se fundirem, o que torna mais fácil para eles finalmente se combinarem.
Miao disse que era surpreendente que muitos dos núcleos já estivessem quase alinhados antes da fusão. Pode refletir um caminho de formação de energia inferior, mas também mostra que ainda há muito a explorar sobre a forma como a natureza organiza a matéria.
As ligas de alta entropia e de média entropia usadas neste experimento só começaram a aparecer há cerca de 20 anos. Esses materiais são feitos de múltiplos elementos metálicos misturados em proporções aproximadamente iguais, ao contrário das ligas tradicionais, como o aço, onde predomina um único elemento primário. Sua estrutura atômica altamente mista pode produzir combinações incomuns de propriedades como resistência e flexibilidade, e também pode ser usada para criar catalisadores de reações químicas mais eficientes e duráveis.
Compreender o processo de nucleação desses materiais pode ajudar os pesquisadores a projetá-los e desenvolvê-los melhor, disse Miao. Ao mesmo tempo, a equipa de investigação acredita que este modelo também pode ser amplamente aplicado a outros sistemas de nucleação.
Como a nucleação é um fenômeno onipresente na natureza e nos sistemas de engenharia, esta pesquisa poderá impactar campos tão diversos como ciências físicas, modelagem climática, alimentos, produtos farmacêuticos, semicondutores e eletrônicos. O método de imagem atômica usado desta vez também pode fornecer aos pesquisadores uma nova ferramenta para explorar como o processo de nucleação se desenrola.
Para Miao, o significado mais importante desta investigação é que pode levar a comunidade científica a repensar a forma como a matéria se organiza durante as mudanças de fase. Ele disse que a equipe de pesquisa acredita que este trabalho mudará a compreensão dos pesquisadores sobre os fenômenos de nucleação e espera que os livros didáticos futuros eventualmente reflitam essa nova compreensão.
Esta pesquisa, intitulada "Nucleação de cristais e crescimento em ligas de alta entropia reveladas pela tomografia eletrônica atômica", foi publicada na revista Nature Materials em 25 de agosto de 2026. A pesquisa foi apoiada principalmente pela Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais do Programa de Ciência de Energia Básica do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
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