Fitas com a espessura de um átomo podem melhorar baterias, células solares e sensores

A equipe de pesquisa descobriu nanofitas de fósforo em 2019. O “material maravilhoso”, previsto para revolucionar dispositivos que vão desde baterias a sensores biomédicos, tem sido usado desde então para aumentar a vida útil das baterias de íons de lítio e a eficiência das células solares.

No entanto, os materiais contendo apenas fósforo não conduzem muito bem a eletricidade, dificultando a sua utilização em determinadas aplicações.

No novo estudo, publicado no Jornal da Sociedade Química Americanaos pesquisadores criaram nanofitas feitas de fósforo e pequenas quantidades de arsênico, que descobriram serem capazes de conduzir eletricidade em temperaturas acima de -140 ^óC, mantendo as propriedades altamente úteis das fitas somente de fósforo.

O autor sênior, Dr. Adam Clancy (UCL Chemistry), disse:”Os primeiros trabalhos experimentais já mostraram a notável promessa das nanofitas de fósforo, criadas pela primeira vez por nossa equipe UCL em 2019. Em 2021, por exemplo, foi demonstrado que adicionar as nanofitas como uma camada para as células solares de perovskita permitiu que as células aproveitassem mais energia do Sol.

“Nosso trabalho mais recente na liga de nanofitas de fósforo com arsênico abre novas possibilidades – em particular, melhorando o armazenamento de energia de baterias e supercapacitores, e melhorando os detectores de infravermelho próximo usados ​​na medicina.

“As fitas de arsênico-fósforo também se revelaram magnéticas, o que acreditamos vir de átomos ao longo da borda, o que as torna potencialmente de interesse também para computadores quânticos.

“De forma mais ampla, o estudo mostra que a liga é uma ferramenta poderosa para controlar as propriedades e, portanto, as aplicações e o potencial desta crescente família de nanomateriais.” Os pesquisadores dizem que a mesma técnica poderia ser usada para fazer ligas combinando fósforo com outros elementos, como selênio ou germânio.

Para serem usadas como material anódico em baterias de íons de lítio ou íons de sódio, as nanofitas de fósforo atualmente precisariam ser misturadas com um material condutor como o carbono. Ao adicionar arsênico, o enchimento de carbono não é mais necessário e pode ser removido, aumentando a quantidade de energia que a bateria pode armazenar e a velocidade com que ela pode ser carregada e descarregada.

Enquanto isso, nas células solares, as nanofitas de arsênico-fósforo podem melhorar ainda mais o fluxo de carga através dos dispositivos, aumentando a eficiência das células.

As fitas de arsênico-fósforo criadas pela equipe de pesquisa tinham normalmente algumas camadas de altura, vários micrômetros de comprimento e dezenas de nanômetros de largura. Eles foram feitos misturando cristais formados a partir de folhas de fósforo e arsênico com lítio dissolvido em amônia líquida a -50 graus C. (Após 24 horas, a amônia é removida e substituída por um solvente orgânico.) A estrutura atômica das folhas significa o lítio os íons podem viajar apenas em uma direção, não lateralmente, causando rachaduras que criam as fitas.

Uma característica fundamental das nanofitas é que elas também possuem uma “mobilidade de buraco” extremamente alta. Os buracos são os parceiros opostos dos electrões no transporte eléctrico, pelo que melhorar a sua mobilidade (uma medida da velocidade a que se movem através do material) ajuda a corrente eléctrica a mover-se de forma mais eficiente.

As nanofitas poderiam ser produzidas em escala em um líquido que poderia então ser usado para aplicá-las em volume a baixo custo para diferentes aplicações.

Nanofitas de fósforo foram descobertas na UCL por uma equipe interdisciplinar liderada pelo professor Chris Howard (UCL Física e Astronomia). Desde o isolamento das folhas bidimensionais de fosforeno em 2014, mais de 100 estudos teóricos previram propriedades novas e excitantes que poderiam surgir através da produção de fitas estreitas deste material.