(Notícias Nanowerk) Uma equipe de pesquisa descobriu um método para transformar materiais com estruturas atômicas tridimensionais em estruturas quase bidimensionais – um avanço promissor no controle de suas propriedades para aplicações químicas, quânticas e semicondutoras.
O campo da química de materiais busca entender, em nível atômico, não apenas as substâncias que compõem o mundo, mas também como projetá-las e fabricá-las intencionalmente. Um desafio generalizado neste campo é a capacidade de controlar precisamente as condições de reação química para alterar a estrutura cristalina dos materiais — como seus átomos são organizados no espaço em relação uns aos outros. Controlar essa estrutura é essencial para atingir arranjos atômicos específicos que produzem comportamentos únicos. Este processo resulta em novos materiais com características desejáveis para aplicações práticas.
Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), com contribuições da Escola de Minas do Colorado (Minas), do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e do Laboratório Nacional de Argonne, descobriu um método para converter materiais de seu estado de maior energia (ou metaestável) para seu estado estável de menor energia, ao mesmo tempo em que instila um arranjo ordenado e quase bidimensional de átomos — um feito que tem o potencial de liberar propriedades materiais promissoras.
Os pesquisadores publicaram suas descobertas em Síntese da Natureza (“Caminhos de síntese para filmes finos de nitretos em camadas estáveis”). O financiamento para este trabalho foi fornecido pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA, com apoio adicional para contribuições teóricas da Nationwide Science Basis.
“Uma razão convincente para encontrar maneiras de produzir filmes finos estáveis com estruturas em camadas, quase bidimensionais, é que muitos deles têm propriedades químicas, semicondutoras ou quânticas incomuns. Isso ocorre porque os elétrons em tais materiais bidimensionais interagem apenas com outros elétrons lateralmente — não acima ou abaixo”, disse Andriy Zakutayev do NREL, pesquisador sênior de física que sintetizou os materiais e liderou este estudo. “Essas propriedades bidimensionais podem ser promissoras para aplicações práticas, como eletrocatalisadores para produção de hidrogênio, dispositivos eletrônicos com eficiência energética ou qubits supercondutores para computação quântica.”
Compreendendo a formação de fases metaestáveis desordenadas
Nitritos são compostos químicos contendo nitrogênio que podem formar materiais robustos. Eles são conhecidos por sua resistência química e estabilidade térmica, e essas propriedades os tornam indispensáveis em aplicações industriais de alto desempenho, especialmente em filmes finos que geralmente têm apenas alguns átomos de espessura. Aplicações comuns para esses filmes incluem o uso como camadas de isolamento semicondutoras e como revestimentos protetores para lentes ópticas e ferramentas de usinagem.
No entanto, o processo de criação de uma fina película de nitreto tende a produzir estruturas moleculares que são tridimensionais e não totalmente estáveis. Para obter nitretos com estruturas em camadas bidimensionais estáveis que são úteis para aplicações químicas ou quânticas, os pesquisadores do NREL examinaram por que essas fases intermediárias se formam.

Quando os átomos constituintes de um composto alcançam áreas de baixa energia — chamadas mínimos locais — o composto tende a se estabelecer nessa estrutura. As regiões das quais um átomo se moverá em direção a esses mínimos locais são chamadas de bacias de atração. Compostos com estruturas estáveis que têm bacias de atração menores têm mais probabilidade de ficar presos em um estado metaestável — entre estabilidade e instabilidade.
“De uma perspectiva teórica, quanto maior a bacia de atração, mais provável é que um composto se acomode nesse arranjo, e é por isso que nitretos metaestáveis tridimensionais se formam — como água da chuva fluindo para uma grande poça formada em um grande buraco na estrada”, disse Vladan Stevanovic, professor associado de engenharia metalúrgica e de materiais da Mines, que realizou os cálculos teóricos do estudo com sua equipe de alunos. “Aqui, descobrimos como certas estruturas tridimensionais metaestáveis podem se transformar em estruturas em camadas estáveis, quase bidimensionais. Isso é emocionante — é como encontrar um buraco de minhoca espacial na ficção científica.”
Descobrindo um caminho para obter filmes finos de nitretos em camadas estáveis
A equipe sintetizou filmes finos de nitreto com magnésio e molibdênio por pulverização catódica de radiofrequência — um procedimento no qual os metais precursores são explodidos com íons energéticos, removendo átomos que formarão filmes finos — em uma atmosfera de argônio e nitrogênio. Os novos compostos foram então submetidos a um rápido processo de tratamento térmico sob um ambiente de nitrogênio atmosférico.

“As observações experimentais indicam que os compostos, conforme depositados, cristalizam em uma estrutura cúbica metaestável tridimensional com desordem elementar”, disse Zakutayev. “Mas quando aplicamos calor acima de 700 °C (1292 F), os compostos se transformaram em filmes finos quase bidimensionais com estrutura hexagonal com ordem elementar. Ficamos bastante surpresos com o surgimento da ordem a partir da desordem — foi como jogar macarrão, queijo e vegetais misturados em uma panela e, em seguida, tirá-los do forno e encontrar uma deliciosa lasanha em camadas lá!”
A chave para resolver esse mistério period uma ordem elementar escondida na escala de comprimento atômico muito curta nos materiais metaestáveis de outra forma desordenados. A equipe validou essa descoberta com três outros materiais de nitreto e duas medições experimentais independentes, além de cálculos teóricos.
Implicações de uma by way of de transformação de película fina
Além dos compostos específicos nos experimentos da equipe, a descoberta da equipe também é aplicável a outros filmes finos de nitreto que são conhecidos apenas por formar estruturas cúbicas tridimensionais. O controle sobre a estrutura atômica remaining de um materials é essencial para alterar as propriedades desse materials. Isso é especialmente verdadeiro para materiais com propriedades quânticas que respondem rapidamente a pequenas mudanças na estrutura atômica e para materiais com propriedades semicondutoras que são ajustáveis com rearranjo de átomos.
“Nossa equipe foi capaz de sintetizar três outros compostos de nitreto em uma estrutura em camadas, quase bidimensional, usando esse mesmo método, demonstrando a universalidade da nossa abordagem”, disse Rebecca Smaha, do NREL, pesquisadora de ciência de materiais que realizou medições de síncrotron. “Também desenvolvemos uma explicação teórica de como esses materiais podem ser sintetizados, tornando esse método de síntese adequado para outras químicas além de nitretos. Estou animada para ver como esse caminho de síntese pode ser aproveitado para descobrir materiais completamente novos em química de materiais inorgânicos de estado sólido.”