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Sabalenka, de 26 anos, duas vezes vencedora em Madrid (2021 e 2023), tinha acabado de vencer Mertens nos quartos de final do WTA 500 de Estugarda.
A jogadora de Minsk, que venceu o WTA 1000 em Miami em março, vai enfrentar na próxima ronda a vencedora do jogo entre a suíça Rebeka Masarova (n.º 153) e a americana Peyton Stearns (n.º 44).
Sabalenka foi surpreendida no primeiro set, onde depois de estar a ganhar por 2-0, viu a sua adversária recuperar e vencer o set por 3-6.
Com o jogo contra si, a vencedora de três Grand Slams reagiu com autoridade, permitindo que a sua adversária levasse apenas três jogos no resto do encontro.
"Foi um daqueles dias em que não me senti bem, estava nervosa no primeiro set, o que foi difícil para mim, mas sabia que ia ter oportunidades", disse Sabalenka após o encontro.
"A chave para a vitória é não pensar muito no passado (jogos anteriores)", acrescentou a bielorrussa, que descartou prever quem chegará à final: "Honestamente, isto é desporto, não se pode prever, não penso muito além, passo a passo".
Com 10 derrotas em 12 duelos, Mertens (29 anos) é a adversária que a número 1 do mundo derrotou mais vezes no circuito feminino desde o início da sua carreira.