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Uma equipe de cientistas de energia diz que seus colegas da mecânica quântica podem finalmente tê-los ajudado a desvendar o mistério de por que folhas extremamente finas de ouro brilham. Se aplicadas corretamente, a equipe diz que suas descobertas poderão ajudar a impulsionar o desenvolvimento de baterias extremamente potentes e a geração de combustível solar.
Quando anunciando Após a descoberta revolucionária, os cientistas de energia da Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (EPFL) explicaram que a presença de fotoluminescência em semicondutores tem sido observada “há centenas de anos”. Isso não inclui apenas os semicondutores mais comuns, como o silício, mas também inclui o ouro. No entanto, o mecanismo exato por trás do brilho do ouro nunca foi completamente compreendido.
Algum progresso foi relatado em 1969, quando os pesquisadores determinaram que todos os metais absorvem e emitem fótons. Ainda assim, como isso estava acontecendo permaneceu um mistério. Agora, a equipa da EPFL afirma que a sua colaboração incomum com alguns dos principais físicos teóricos da Europa revelou a resposta.
Teóricos da mecânica quântica ajudam a explicar o que faz o ouro brilhar
Para fazer a descoberta, os cientistas da energia criaram películas de ouro extremamente finas, com espessura entre 13 e 113 nanômetros. Criar folhas de ouro tão finas é sempre difícil, mas os pesquisadores dizem que a capacidade relativamente nova de criar ouro neste nível de espessura e pureza foi a chave para desbloquear a magia por trás do que faz o ouro brilhar sem os obstáculos encontrados por esforços anteriormente malsucedidos.
“Desenvolvemos filmes de ouro metálico de altíssima qualidade, o que nos coloca em uma posição única para elucidar esse processo sem os fatores de confusão de experimentos anteriores”, explicou Giulia Tagliabue, chefe do Laboratório de Nanociência para Tecnologias Energéticas (LNET) da EFPL em a Escola de Engenharia.
Depois de explodir essas folhas de ouro ultrafinas com um poderoso laser, os pesquisadores conduziram um exame detalhado do brilho fotoluminescente que irradiava delas. Embora o brilho tenha sido detectado, a equipe diz que seus resultados foram tão precisos e tão “inesperados” que os deixaram coçando a cabeça.
“Observamos certos efeitos da mecânica quântica surgindo em filmes de até 40 nanômetros, o que foi inesperado porque normalmente, para um metal, você não vê tais efeitos até ir bem abaixo de 10 nm”, explicou Tagliabue.
Suspeitando que um processo mecânico quântico pudesse estar em ação, a equipe contatou teóricos da física do Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona, da Universidade do Sul da Dinamarca e do Instituto Politécnico Rensselaer. Trabalhando em conjunto, a equipe diz que os dois grupos conseguiram unir seus conhecimentos para descobrir exatamente como os elétrons nos metais interagiam com seus equivalentes de carga oposta, chamados de “buracos”.
Este trabalho revelou “informações espaciais chave” dentro desta troca de energia quase invisível que ocorria no nível quântico, o que fazia essas folhas de ouro brilharem. A equipe disse que este trabalho, que é Publicados no diário Ciência da luz e aplicaçõesresultou no “primeiro modelo completo e totalmente quantitativo deste fenômeno no ouro, que pode ser aplicado a qualquer metal”.
Ouro brilhante pode ajudar a revolucionar a geração de energia
Além de algumas aplicações potencialmente novas, a equipe diz que seu trabalho significa que os cientistas poderiam, teoricamente, usar um material como o ouro em métodos avançados de detecção que apoiam a geração de energia. Isso ocorre porque alguns dos sensores mais precisos podem afetar suas próprias leituras, enquanto o sinal “Stokes” de um sensor baseado em ouro, também conhecido como brilho, pode revelar a temperatura precisa da superfície da sonda.
“Para muitas reações químicas na superfície dos metais, há um grande debate sobre por que e em que condições essas reações ocorrem”, disse Tagliabue. “A temperatura é um parâmetro chave, mas medir a temperatura em nanoescala é extremamente difícil porque um termômetro pode influenciar sua medição. Portanto, é uma enorme vantagem poder sondar um material usando o próprio material como sonda.”
Esta capacidade única, explicam os cientistas, pode oferecer informações detalhadas “sem precedentes” sobre reações químicas, “especialmente aquelas envolvidas na pesquisa energética”. Na verdade, a equipa acredita que a sua explicação sobre o que faz o ouro brilhar, e o trabalho semelhante que estão a explorar com o cobre, poderiam ajudar a reduzir as emissões de carbono na geração de combustíveis solares, que armazenam energia em ligações químicas.
“Para combater as alterações climáticas, precisaremos de tecnologias para converter o CO2 noutros produtos químicos úteis, de uma forma ou de outra”, afirma Alan Bowman, pós-doutorando da LNET, primeiro autor do estudo. “Usar metais é uma forma de fazer isso, mas se não tivermos uma boa compreensão de como essas reações acontecem em suas superfícies, não poderemos otimizá-las. A luminescência oferece uma nova maneira de entender o que está acontecendo nesses metais.”
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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