Vidro, borracha e pla¡sticos pertencem a uma classe de matéria chamada de sãolidos amorfos. E apesar de serem comuns em nossa vida cotidiana, os sãolidos amorfos hámuito representam um desafio para os cientistas.

Desde a década de 1910, os cientistas foram capazes de mapear em 3D as estruturas atômicas dos cristais, a outra classe importante de sãolidos, o que levou a inúmeros avanços na física, química, biologia, ciência dos materiais, geologia, nanociaªncia, descoberta de drogas e muito mais. Mas, como os sãolidos amorfos não são montados em estruturas atômicas ra­gidas e repetitivas como os cristais, eles desafiam a capacidade dos pesquisadores de determinar sua estrutura atômica com o mesmonívelde precisão.

Atéagora, éisso.

Um estudo conduzido pela UCLA na revista Nature relata a primeira determinação da estrutura atômica 3D de um sãolido amorfo - neste caso, um material chamado vidro meta¡lico.

"Sabemos muito sobre cristais, mas a maior parte da matéria na Terra énão cristalina e sabemos tão pouco sobre sua estrutura atômica", disse o autor saªnior do estudo, Jianwei "John" Miao, professor de física e astronomia da UCLA e membro do California NanoSystems Institute da UCLA .

Observar o arranjo ata´mico 3D de um sãolido amorfo éo sonho de Miao desde que ele era um estudante de graduação. Esse sonho agora foi realizado, após 22 anos de busca incessante. 

“Este estudo abriu uma nova porta”, disse ele.

Os vidros meta¡licos tendem a ser mais fortes e molda¡veis ​​do que os metais cristalinos padrãoe são usados ​​hoje em produtos que va£o desde transformadores elanãtricos a tacos de golfe de ponta e caixas para laptops Apple e outros dispositivos eletra´nicos. Compreender a estrutura atômica dos vidros meta¡licos pode ajudar os engenheiros a projetar versaµes ainda melhores desses materiais, para uma gama ainda maior de aplicações.

Os pesquisadores usaram uma técnica chamada tomografia eletra´nica atômica, um tipo de imagem 3D criada por Miao e colaboradores. A abordagem envolve o envio de elanãtrons atravanãs de uma amostra e a coleta de uma imagem do outro lado. A amostra égirada para que as medições possam ser feitas de vários a¢ngulos, produzindo dados que são unidos para produzir uma imagem 3D.

“Combinamos microscopia eletra´nica de última geração com algoritmos poderosos e técnicas de análise para estudar estruturas atéonívelde a¡tomos individuais”, disse o coautor Peter Ercius, cientista da equipe da Fundição Molecular do Lawrence Berkeley National Laboratory, onde o experimento foi conduzido. “O conhecimento direto de estruturas amorfas nesteníveléuma virada de jogo para as ciências físicas.”

Os pesquisadores examinaram uma amostra de vidro meta¡lico com cerca de 8 nana´metros de dia¢metro, feito de oito metais diferentes. (Um nana´metro éum bilionanãsimo de um metro.) Usando 55 imagens de tomografia eletra´nica atômica, Miao e seus colegas criaram um mapa 3D dos aproximadamente 18.000 a¡tomos que compunham a nanoparta­cula.

Como os sãolidos amorfos são tão difa­ceis de caracterizar, os pesquisadores esperavam que os a¡tomos fossem dispostos de forma caa³tica. E embora cerca de 85% dos a¡tomos estivessem em um arranjo desordenado, os pesquisadores foram capazes de identificar bolsaµes onde uma fração dos a¡tomos se aglutinava em superaglomerados ordenados. A descoberta demonstrou que mesmo dentro de um sãolido amorfo, o arranjo dos a¡tomos não écompletamente aleata³rio.

Miao reconheceu uma limitação da pesquisa, nascida dos limites da própria microscopia eletra´nica. Alguns dos a¡tomos de metal eram tão semelhantes em tamanho que a imagem do elanãtron não conseguia distingui-los. Para efeito do estudo, os pesquisadores agruparam os metais em três categorias, reunindo vizinhos da tabela peria³dica de elementos: cobalto e na­quel na primeira categoria; rutaªnio, ra³dio, pala¡dio e prata no segundo; e ira­dio e platina no terceiro.  

A pesquisa foi apoiada principalmente pelo Centro de Ciência e Tecnologia da Fundação Nacional de Ciência STROBE , do qual Miao évice-diretor, e em parte pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos.

“Este resultado inovador exemplifica o poder de uma equipe transdisciplinar”, disse Charles Ying, oficial do programa da National Science Foundation que supervisiona o financiamento do centro STROBE. “Isso demonstra a necessidade de apoio de longo prazo de um centro para lidar com esse tipo de projeto de pesquisa complexo.”

Os co-autores do estudo são o estudante de graduação Yao Yang, o ex-cientista assistente do projeto Jihan Zhou, o ex-pesquisador de pa³s - doutorado Fan Zhu e o pesquisador de pa³s-doutorado Yakun Yuan, todos membros atuais ou ex-membros do grupo de pesquisa de Miao na UCLA. Outros coautores da UCLA são alunos de graduação Dillan Chang e Arjun Rana; ex-bolsistas de pa³s-doutorado Dennis Kim e Xuezeng Tian; professor adjunto assistente de matemática Minh Pham; e o professor de matemática Stanley Osher.

Outros coautores são Yonggang Yao e Liangbing Hu da University of Maryland, College Park; e Andreas Schmid e Peter Ercius do Lawrence Berkeley National Laboratory.

“Este trabalho éuma a³tima ilustração de como enfrentar grandes desafios de longa data, reunindo cientistas com muitas formações diferentes em física, matemática, materiais e ciência da imagem, com fortes parcerias entre universidades e laboratórios nacionais”, disse Margaret Murnane, diretora do STROBE Centro. “Esta éuma equipe espetacular.”