A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms

Por séculos, os cientistas entenderam que o mundo sólido é construído a partir de átomos, partículas minúsculas que se ligam para formar cristais com padrões repetitivos. Nesses padrões, os átomos são tão pequenos e se movem tão rapidamente que observar a formação de um cristal é como tentar observar uma única gota de chuva caindo em uma tempestade; o processo acontece rápido demais para ser visto. Para entender como os cristais crescem, pesquisadores há muito imaginam o uso de blocos de construção maiores que atuem como átomos, mas que se movam lentamente o suficiente para serem observados. Eles chamam esses blocos maiores de "superátomos". Estes não são átomos únicos, mas aglomerados precisos de muitos átomos que se mantêm unidos tão fortemente que se comportam como uma unidade única e maior, com sua própria personalidade eletrônica. O desafio tem sido fazer com que esses superátomos se unam com força suficiente para formar um cristal real, em vez de apenas flutuarem livremente ou se desintegrarem.

Uma equipe de pesquisadores conseguiu agora criar um cristal bidimensional plano feito inteiramente desses superátomos e, pela primeira vez, observou os blocos de construção se moverem, se ligarem e se repararem em tempo real. Os cientistas trabalharam com aglomerados feitos de paládio e selênio, especificamente grupos contendo seis átomos de paládio cercados por vinte ou vinte e um átomos de selênio. Esses aglomerados são massivos comparados a um átomo comum, pesando mais de duas mil vezes mais que um átomo de hidrogênio. Por serem tão pesados, eles se movem muito mais devagar que os átomos comuns, permitindo que os pesquisadores filmem sua montagem usando um poderoso microscópio eletrônico. A equipe descobriu que esses aglomerados não apenas ficam parados uns ao lado dos outros; eles se ligam com uma força semelhante às ligações químicas que mantêm os átomos unidos em metais, formando uma rede estável e repetitiva.

Os pesquisadores começaram criando um filme fino de material amorfo, ou desordenado, contendo a mistura correta de paládio e selênio. Para evitar que o material perdesse seus átomos de selênio durante o processo de aquecimento, eles "sanduícharam" o filme entre duas camadas de grafeno, um material feito de uma única camada de átomos de carbono. Eles então usaram um laser de baixa potência para aquecer suavemente um pequeno ponto desse sanduíche, fazendo com que o material desordenado se cristalizasse na estrutura superatômica. Quando olharam para o resultado com um microscópio de alta resolução, viram uma grade perfeita de pontos brilhantes. Cada ponto representava um único aglomerado de superátomo. Ao analisar o brilho e o arranjo desses pontos, a equipe confirmou que os aglomerados estavam organizados em um padrão específico e repetitivo, muito parecido com os azulejos de um piso, mas com um espaçamento de cerca de 8,64 angstroms entre cada unidade.

Dentro deste cristal, os superátomos não são todos idênticos. Os pesquisadores descobriram dois tipos principais de aglomerados: um com um centro oco e outro com um átomo de selênio preenchendo esse centro. Apesar dessas diferenças internas, eles se ligam fortemente. A distância entre as bordas de aglomerados vizinhos é de cerca de 3,50 angstroms, um vão que é pequeno demais para que sejam mantidos por forças passivas fracas, mas grande demais para uma ligação atômica padrão. Cálculos sugerem que os aglomerados são mantidos por uma mistura de ligação química e forças mais fracas, criando uma energia de ligação forte o suficiente para manter o cristal intacto. Essa ligação confere ao material propriedades metálicas, o que significa que ele pode conduzir eletricidade, uma diferença significativa em relação à versão volumétrica deste material, que atua como um semicondutor.

O que torna esta descoberta verdadeiramente única é a capacidade de observar o cristal crescer e se curar. Como os superátomos são tão massivos, seu movimento é lento o suficiente para ser capturado em vídeo. Os pesquisadores observaram aglomerados individuais se desprendendo de um grupo e vagando pela superfície antes de se reatarem. Eles também assistiram a pequenos grupos de aglomados se aproximarem de um cristal maior, rotacionarem para se alinharem com ele e, então, encaixarem-se no lugar, efetivamente fazendo o cristal crescer um bloco por vez. Esse processo, que ocorre em frações de segundo para átomos normais, acontece ao longo de vários segundos neste sistema, permitindo que os cientistas vejam as etapas exatas de nucleação e crescimento.

A equipe também observou que os cristais superatômicos sofrem os mesmos defeitos que os cristais comuns. Eles encontraram espaços vazios onde um aglomerado estava faltando, linhas onde o padrão foi deslocado e fronteiras onde duas regiões cristalinas diferentes se encontravam. Quando os pesquisadores expuseram o material ao feixe de elétrons por um período prolongado, observaram essas fronteiras se curarem. Dois grãos de cristal distintos rotacionaram e fundiram-se em um único grão maior, deixando para trás apenas vestígios tênues da fronteira original. Essa capacidade de observar o nascimento, o crescimento e o reparo de um cristal ao nível de seus blocos de construção fundamentais oferece uma janela rara para a física de como a matéria sólida se forma. Ao desacelerar o processo para uma escala visível ao ser humano, os pesquisadores criaram um sistema modelo que pode ajudar cientistas a compreender as regras fundamentais da cristalização, não apenas para esses aglomerados específicos, mas para os cristais atômicos que compõem o mundo ao nosso redor.