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Pesquisadores da Suíça Instituto Federal de Tecnologia de Lausanne (EPFL), que simulou milhares de possíveis materiais unidimensionais, afirma ter tropeçado no que pode ser o fio metálico mais fino já descoberto. Materiais unidimensionais como os nanotubos de carbono, que são construídos amarrando átomos individuais em uma cadeia, são cobiçados por suas propriedades elétricas, magnéticas e ópticas únicas e muitas vezes incomuns.
Os pesquisadores por trás deste material unidimensional (1-D) específico, que é montado pela alternância de dois átomos de carbono e um átomo de cobre, dizem que seu fio recém-projetado pode ser o nanofio metálico mais fino já criado, que também pode permanecer estável a 0 graus Kelvin. . Se o fio simulado puder ser fabricado, os pesquisadores acreditam que ele poderá encontrar inúmeras aplicações em futuros componentes eletrônicos reduzidos.
Simulações de computador identificam os principais candidatos para cultivar materiais unidimensionais
Para começar, Chiara Cignarella, autora principal do artigo que descreve a descoberta, e os colegas Davide Campi e Nicola Marzari questionaram se simulações de computador usando estruturas cristalinas já conhecidas poderiam ajudá-los a encontrar o candidato perfeito sem ter que tentar construir milhares delas em um laboratório. Especificamente, eles procuravam cristais tridimensionais que tivessem as propriedades estruturais e eletrônicas corretas que lhes permitissem ser facilmente “esfoliados”. Segundo os autores do estudo, a esfoliação é o processo de “retirar” o excesso de material da estrutura 3D original até que reste apenas a cadeia unidimensional de átomos. Tal processo foi usado no passado para extrair materiais bidimensionais (2-D) como o grafeno de materiais tridimensionais, mas os pesquisadores observam que esta seria a primeira vez que foi usado para esfoliar materiais unidimensionais como nanotubos de carbono.
Esta abordagem conceitual, que nasceu no Laboratório de Teoria e Simulação de Materiais da EPFL, parte do Centro Nacional de Competência em Pesquisa (NCCR) O esforço da MARVEL levou à criação de um banco de dados de mais de 780.000 estruturas cristalinas tridimensionais conhecidas, reunidas a partir de vários bancos de dados científicos diferentes de todo o mundo. Durante este processo, os investigadores dizem que se concentraram especificamente nos cristais mantidos juntos pelas forças de van der Waals. De acordo com Comunicado de imprensa ao anunciar a descoberta, as forças de van der Waals são “o tipo de interações fracas que acontecem quando os átomos estão próximos o suficiente para que seus elétrons se sobreponham”.
Em seguida, a equipe criou um algoritmo especializado para classificar a enorme quantidade de dados compilados. Se funcionasse corretamente, o algoritmo identificaria cristais cuja organização espacial de átomos continha fios naturais semelhantes a fios. Ele também calcularia com precisão quanta energia seria necessária para separar esses nanofios unidimensionais do resto do cristal de base, o que é fundamental para determinar o quão viáveis eles seriam para realmente fabricá-los.
“Estávamos procurando especificamente fios metálicos, que supostamente seriam difíceis de encontrar porque os metais 1-D, em princípio, não deveriam [be] suficientemente estável para permitir a esfoliação”, explicou Cignarella. Por exemplo, os investigadores dizem que os outrora promissores nanotubos de carbono unidimensionais caíram em desuso porque se revelaram “muito difíceis de fabricar e controlar”.
De 780.000 candidatos para quatro
Este esforço inicialmente analisou a enorme lista de cristais potenciais em apenas 800 candidatos viáveis. Um pouco mais de refinamento com base na estabilidade simulada, nas propriedades eletrônicas e estruturais desta lista reduziu-a ainda mais para o top 14 e, finalmente, para os quatro candidatos mais promissores. Notavelmente, dois desses materiais eram metais e os outros dois eram semimetais.
Em última análise, o candidato mais intrigante do algoritmo era uma cadeia linear composta por dois átomos de carbono e um átomo de cobre. Chamado de fio metálico CuC2, as simulações do material unidimensional mostraram as propriedades eletrônicas condutoras de um fio, ao mesmo tempo que permaneciam estáveis em uma temperatura normal de operação. Isso porque essa cadeia simulada específica também era resistente à distorção das “distorções de Peierl”, que são quebras na corda unidimensional.
“É realmente interessante porque não se esperaria que um fio real de átomos ao longo de uma única linha fosse estável na fase metálica”, disse Cignarella sobre o seu principal candidato.
Os pesquisadores dizem que também ficaram satisfeitos ao descobrir que seu fio unidimensional teórico poderia ser esfoliado a partir de três fontes cristalinas distintas. De acordo com o estudo, são NaCuC2, KCuC2 e RbCuC2.
“Requer pouca energia para ser extraída deles”, explica o comunicado, “e sua cadeia pode ser [bent] preservando suas propriedades metálicas, o que o tornaria interessante para eletrônicos flexíveis.”
Fabricando os melhores materiais para compreender seu desempenho no mundo real
Em seu estudo, Publicados no diário ACS Nano, os pesquisadores observam que seu algoritmo também descobriu alguns outros materiais unidimensionais promissores. Por exemplo, um semimetal identificado por suas simulações, Sb2Te2, poderia ajudar os físicos a estudar isoladores excitônicos. Um estado exótico da matéria que foi inicialmente teorizado há mais de 50 anos, os isoladores excitônicos nunca foram observados diretamente. Se fabricado na vida real, o Sb2Te2 poderá permitir que este fenómeno quântico se torne visível em escalas macroscópicas.
Em seguida, Cignarella diz que sua equipe espera fazer parceria com experimentalistas que possam sintetizar esses materiais unidimensionais, incluindo seus nanofios de cobre e carbono. Em teoria, a criação destes materiais no mundo real poderia permitir aos cientistas testar como transportam cargas eléctricas e como diferentes temperaturas afectam a sua estabilidade e desempenho.
Segundo os autores do estudo, “ambas as coisas serão fundamentais para entender como funcionariam em aplicações do mundo real”.
Christopher Plain é romancista de ficção científica e fantasia e redator-chefe de ciências do The Debrief. Siga e conecte-se com ele no X, conheça seus livros em plainfiction.comou envie um e-mail diretamente para ele em christopher@thedebrief.org.
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