O que so materiais de van der Waals?

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 09/09/2024

Materiais quasiunidimensionais

Os materiais unidimensionais, ou monoatmicos, tornaram-se conhecidos do pblico graas descoberta do grafeno, um material com uma nica camada de tomos de espessura (tomos de carbono, no caso do grafeno).

Hoje j temos at uma Tabela Peridica Monoatmica, um guia para sintetizar materiais 2D, e tambm j sabemos que o grafeno era apenas a ponta do icebergue dos materiais unidimensionais.

Mas tambm ficou claro que o interesse no precisava se resumir aos materiais verdadeiramente 1D; na verdade, existe todo um universo de materiais que no so formados especificamente por uma nica camada de tomos, podendo ser formados por molculas com mais de um tomo de altura ou, ainda mais interessante, resultarem do empilhamento de camadas 1D ou 2D.

Essa categoria conhecida agora como “materiais de van der Waals”, ou materiais quasiunidimensionais (quasi-1D), e se tornou um tpico quente na pesquisa de cincia dos materiais nos ltimos anos pelos efeitos que sua estrutura nica apresenta, incluindo propriedades eltricas, pticas e mecnicas incomuns. Eles prometem avanos em computao quntica, nanoeletrnica e outras tecnologias avanadas.

Eles so chamados de materiais “quase 1D” porque, enquanto as molculas em materiais 1D verdadeiros so cadeias unidas por ligaes qumicas covalentes, o que mantm os materiais quase 1D coesos so foras intermoleculares conhecidas como foras de Van der Waals, que so extremamente fracas, mas suficientes para que cadeias 1D se organizem em folhas 2D e at 3D.

E isso bom porque combina as vantagens da capacidade das substncias 1D de amplificar efeitos qunticos com as vantagens dos materiais de folhas 2D empilhveis. Por exemplo, hoje considera-se que membros dessa famlia, os Mxenos, so uma aposta melhor do que o grafeno.

Estrutura do composto e amostras em macroescala produzidas pela equipe.
[Imagem: Yi Shuang et al. – 10.1016/j.jmst.2024.05.039]

Substncia maravilhosa

Com todo o interesse tecnolgico e todas as demonstraes de propriedades inusitadas, esses materiais tm tambm sua prpria maldio no fato de serem to pequenos: muito difcil fabric-los em grandes tamanhos e em grande quantidade.

A esperana vem pelas mos de Yi Shuang e colegas da Universidade de Tohoku, no Japo, que acabam de desenvolver uma tcnica para fabricar um material quasiunidimensional usando uma tcnica simples e presente em laboratrios e empresas de todo o mundo.

Para demonstrar a tcnica, eles fabricaram uma pelcula fina de telureto de zircnio (ZrTe₅), que uma das substncias mais promissoras de sua classe.

O pentatelureto de zircnio atraiu recentemente a ateno devido s suas propriedades como um semimetal de Dirac e Weyl, consideradas capazes de revolucionar toda a tecnologia – nesses materiais, os eltrons se comportam como se tivessem massa zero e, portanto, desfrutam de propriedades pticas e magnticas ainda mais exticas.

“Infelizmente, at agora, devido dificuldade de fabricao em larga escala de filmes de ZrTe₅, essa substncia maravilhosa permaneceu como uma curiosidade de bancada de laboratrio,” disse Shuang.

A transio amorfo-cristalino dever ser til para o estudo de outros materiais quase unidimensionais.
[Imagem: Yi Shuang et al. – 10.1016/j.jmst.2024.05.039]

Deposio fsica de vapor por pulverizao catdica

Os pesquisadores recorreram a um mtodo alternativo para a fabricao de filmes finos: A deposio fsica de vapor (DFV). Especificamente, eles empregaram uma DFV por pulverizao catdica, na qual uma substncia alvo bombardeada por tomos ou ons, resultando em uma ejeo de material daquele alvo em direo a outra substncia ou “substrato” – a deposio fsica de vapor por pulverizao catdica um processo de fabricao largamente utilizado na indstria de semicondutores.

Os pesquisadores usaram um magnetron, um dispositivo que usa energia de radiofrequncia para produzir o efeito de pulverizao, disparando-o em alvos de zircnio e telrio ao mesmo tempo. Simples assim, mas o resultado foi o crescimento em larga escala de ZrTe₅ quasi-1D.

Imediatamente aps a deposio do ZrTe₅ no substrato, os filmes estavam inicialmente em um estado amorfo, como em um vidro, no qual os tomos no apresentam uma estrutura cristalina definida. No entanto, aps o tratamento trmico em uma atmosfera de argnio, eles cristalizaram, levando a uma mudana drstica nas propriedades do material. Essa transio crucial para obter as caractersticas especficas necessrias para as aplicaes desejadas do ZrTe₅ quasi-1D.

Uma anlise detalhada dessa transformao de estrutura amorfa para cristalina revelou que o mesmo dever ocorrer nos materiais quasi-1D em geral, e no apenas no ZrTe₅. A equipe agora pretende testar o desempenho do material nas muitas aplicaes nas quais se espera que ele tenha um desempenho superior ao dos mateiais atuais.

Este avano tecnolgico em termos de processo produtivo dever ser crucial para levar os materiais de van der Waals das bancadas de laboratrio para as aplicaes do mundo real.

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