Física

Quando a água congela, o gelo forma-se primeiro em “núcleos” – pequenos cristais-semente que podem crescer ou encolher e sobreviver apenas se atingirem um tamanho mínimo – pelo menos de acordo com a teoria dos livros didáticos. Os pesquisadores mostraram agora que esse entendimento também se aplica a uma transição de fase mais complicada no dióxido de vanádio (VO2), um material cujas propriedades elétricas e estrutura cristalina mudam na chamada transição de fase metal-isolante [1]. A equipe mediu o tamanho limite das “sementes” que impulsionam essa transição e demonstrou uma nova técnica para estudar transições de estruturas cristalinas. O resultado sugere que a teoria clássica de nucleação é válida para uma gama de materiais que são importantes em áreas como catálise, lasers e fabricação de ligas e cerâmicas.

Coloque um balde de água purificada em um ambiente com temperatura abaixo de zero e pequenas sementes de gelo começarão a se formar. Muitos se dissolverão rapidamente, mas aqueles que são maiores que um determinado tamanho limite crescerão e eventualmente se fundirão para formar um único bloco de gelo. Esta visão da cristalização, associada à teoria clássica da nucleação, tem sido bem aceita para a transição água-gelo. Junqiao Wu, da Universidade da Califórnia, Berkeley, e seus colegas queriam testar se o mesmo fenômeno de nucleação está em jogo no VO2 quando este faz uma transição de uma estrutura cristalina para outra.

VO2 é usado em revestimentos de superfície, sensores e sistemas de imagem. Acima de 340 K, o material é um metal, o que significa que é um bom condutor elétrico. À temperatura ambiente, torna-se um isolante (não condutor). Essa transição metal-isolante (MIT) é acompanhada por uma mudança na estrutura cristalina do material e apresenta algumas peculiaridades que lembram a transição água-gelo. Por exemplo, se o material for suficientemente puro, o VO2 pode ser “super-resfriado” e permanecer metálico em temperaturas onde normalmente é isolante. A água também pode ser super-resfriada abaixo do seu ponto de congelamento.

Os pesquisadores já haviam visto indícios de que o VO2 e materiais semelhantes nucleam transições de fase da mesma forma que a água, mas não tinham evidências diretas. Para explorar esta possibilidade, Wu e seus colegas desenvolveram um método para colocar “sementes de nucleação” – pequenas regiões que podem nuclear transições de fase – dentro do metal e para controlar o processo de nucleação.

Primeiro, os pesquisadores fizeram uma série de fios metálicos de VO2 puros e monocristalinos com seções transversais de cerca de 100 × 250 nanômetros quadrados (nm2) e comprimentos de cerca de 50 micrômetros. Para cada experimento, eles suspenderam um dos fios em um par de cristas de eletrodos paralelas, de modo que o fio ficasse apoiado apenas nas extremidades. A equipe então irradiou as pontas do fio com íons de hélio. Essa irradiação danificou as extremidades de uma forma que impediu que o contato com os eletrodos desencadeasse uma nucleação indesejada, criando assim “um canteiro ideal para plantar e cultivar sementes [de nucleação]”, diz Wu. Eles também irradiaram uma série de listras no fio para criar oito segmentos separados e “blindados”. A equipe usou um feixe de íons de gálio focado para distorcer a estrutura cristalina e criar uma semente de nucleação em cada segmento. As sementes variavam de 10 nm a 180 nm de diâmetro, e a equipe monitorou seus efeitos na transição de fase do fio com um microscópio óptico.

À medida que os pesquisadores resfriavam o fio abaixo da temperatura normal de transição de fase do VO2, cada semente eventualmente desencadeou uma transição de fase em seu segmento – quanto menor a semente, menor a temperatura de transição. A equipe descobriu que era necessário um tamanho mínimo de semente de dezenas de nanômetros para que o MIT ocorresse (com o valor preciso dependendo dos detalhes da criação da semente). Todos os resultados concordaram com as previsões da teoria clássica da nucleação.

Wu diz que os resultados indicam que o MIT do VO2 é impulsionado pela nucleação e que os pesquisadores poderão usar materiais mais bem estudados para obter mais informações sobre o MIT. “Há algo universal que rege esses fenômenos”, diz ele. Ele também acredita que os resultados oferecem um caminho para o projeto de materiais com transições de fase bem controladas que poderiam melhorar o uso do VO2 em aplicações, bem como em estudos de pesquisa fundamentais. “O VO2 profundamente super-resfriado que demonstramos é um banco de testes ideal para investigações futuras”, diz Wu.