Sal de cozinha permite novos nanotubos metálicos com potencial para eletrônica mais rápida

Pela primeira vez, os pesquisadores produziram nanotubos metálicos de sulfeto de nióbio com propriedades estáveis ​​e previsíveis, um objetivo há muito almejado na ciência de materiais avançados. De acordo com a equipe internacional, incluindo um pesquisador da Penn State, que realizou a conquista, o novo nanomaterial que poderia abrir as portas para uma eletrônica mais rápida, um transporte eficiente de eletricidade por meio de fios supercondutores e até mesmo futuros computadores quânticos foi possível com um ingrediente surpreendente: o sal de cozinha.

Eles publicaram suas pesquisas em ACS Nano.

Os nanotubos são estruturas tão pequenas que milhares deles poderiam caber na largura de um fio de cabelo humano. Os minúsculos cilindros ocos são feitos enrolando folhas de átomos; os nanotubos têm um tamanho e formato incomuns que podem fazer com que se comportem de maneira muito diferente dos materiais 3D ou em massa.

Eles podem ser mais fortes que o aço, mas mais leves que o plástico, transportar eletricidade com pouca resistência, conduzir calor de forma eficiente e até exibir efeitos quânticos exóticos.

Essas propriedades os tornam blocos de construção promissores para tecnologias futuras, de acordo com o autor do estudo, Slava V. Rotkin, professor de ciências da engenharia e mecânica, professor de física e membro do Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State.

Rotkin explicou que as propriedades podem ser adaptadas usando tipos específicos de átomos para fazer os nanotubos. Essa é uma das razões pelas quais os pesquisadores estavam ansiosos para fabricar nanotubos de dissulfeto de nióbio. Até agora, os cientistas podiam fabricar nanotubos de carbono – que podem actuar como semicondutores ou semimetais – e a partir de nitreto de boro isolante, mas não a partir de metais verdadeiros, que se comportam de forma muito diferente à escala atómica.

“O que temos agora são conchas metálicas que podem, em princípio, mostrar fenómenos como supercondutividade e magnetismo, que são impossíveis em versões isolantes ou semicondutoras”, disse Rotkin. “Os nanotubos de carbono semimetálicos anteriores não apresentavam supercondutividade ou ferromagnetismo devido à baixa densidade de elétrons.”

A equipe trabalhou com dissulfeto de nióbio, um steel conhecido por suas propriedades incomuns, como a supercondutividade, que permite que a eletricidade flua com resistência zero. Eles conseguiram transformar esse steel em tubos com apenas bilionésimos de metro de largura, enrolando-o em torno de um modelo feito de carbono e nitreto de boro nanotubos.

Fazer com que o materials assumisse aquela forma enrolada foi um avanço, disse Rotkin. Normalmente, esses tipos de materiais preferem se espalhar em folhas planas. Os pesquisadores descobriram que adicionar uma pequena quantidade de sal comum no momento certo do processo de crescimento fazia toda a diferença.

“Em certo sentido, period um pouco como a alquimia na Idade Média”, disse Rotkin. “Você adiciona um ingrediente minúsculo e, de repente, a reação muda. Sem o sal, o dissulfeto de nióbio fica achatado. Com o sal, ele envolve o nanotubo e forma as cascas que precisamos.”

Os nanotubos revelaram outra surpresa. Em vez de fazer tubos principalmente de camada única, o materials preferiu fazer duas camadas, como um par de canudos aninhados.

“Descobrimos que o maior número de nanotubos de pequeno diâmetro eram de duas conchas, e não de uma”, disse Rotkin. “Isso significa que fabricar duas conchas é de alguma forma mais favorável do que fabricar uma, o que não é o que você normalmente esperaria.”

Rotkin e colegas disseram acreditar que o crescimento da camada dupla resultou da eletricidade movendo-se entre as camadas. Com duas camadas, os elétrons podem saltar de uma para a outra, agindo como um capacitor de tamanho atômico que estabiliza toda a estrutura. Rotkin propôs um novo modelo e executou simulações de modelos de computador que apoiaram essa ideia.

A forma enrolada desses nanotubos também resolve um problema que tem desafiado os engenheiros que trabalham com materiais planos e 2D. Para fazer nanofios a partir de folhas planas, os cientistas devem esculpi-los usando litografia, um processo semelhante à gravação de padrões em chips de silício. Mas em escalas tão pequenas, o entalhe deixa arestas que perturbam as propriedades do materials.

“Se você enrolar, terá uma concha sem amarras penduradas”, disse Rotkin. “O diâmetro da casca diz exatamente qual será o comportamento. Os nanotubos são muito menos aleatórios do que os nanofios cortados de folhas bidimensionais.”

Essa precisão poderia tornar os nanotubos metálicos valiosos para aplicações que exigem confiabilidade em nanoescala, disse Rotkin.

“Sabemos que o dissulfeto de nióbio bidimensional já apresenta supercondutividade”, disse Rotkin. “Se pudermos tirar vantagem disso em nanotubos unidimensionais, abriremos oportunidades para a computação quântica e para a criação de fios supercondutores que poderiam tornar a eletrônica mais rápida e eficiente.”

Por enquanto, a pesquisa ainda está em fase basic, mas fornece o que Rotkin chamou de importante prova de conceito.

“Estes são resultados iniciais, mas mostram que podemos cultivar nanotubos metálicos e começar a compreender a sua estabilidade”, disse Rotkin. “A partir daqui, podemos começar a pensar em como integrá-los às tecnologias”.

Rotkin, que contribuiu com modelagem teórica de como as conchas interagem, disse que o projeto mostra o poder da colaboração internacional.

“Este não é um trabalho que possa ser feito isoladamente”, disse ele. “É necessária uma equipe com conhecimentos diferentes e tive a sorte de fazer parte disso.”