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Um grupo da Universidade de Nagoya, no Japão, descobriu uma forma nunca antes vista de fosfeto de rutênio com uma configuração incomum de átomos e elétrons em seu estado resfriado. Isso pode resolver o enigma de como um metal pode ser um condutor em altas temperaturas, mas um isolante em temperaturas mais baixas.
O rutênio é um metal raro que pertence ao grupo de metais da platina. Como composto, o fosfeto de rutênio (RuP) é comumente usado como material devido à sua estabilidade e condutividade. RuP age como um metal e conduz eletricidade à temperatura ambiente. No entanto, foi descoberto em 2011 que, quando resfriado abaixo de 0°C, sua resistência elétrica aumenta e ele se torna um isolante.
Quando um metal passa de sua fase metálica em altas temperaturas para a fase isolante em temperaturas mais baixas, o ponto em que ele muda de uma para a outra é chamado de transição metal-isolante (MIT). O mecanismo pelo qual RuP sofre essa transição, no entanto, tem sido controverso. “Tem sido discutido por mais de 10 anos, mas não há consenso sobre o mecanismo”, explica o principal autor, professor associado Daigorou Hirai. “A origem da transição também tem sido uma questão de grande interesse, especialmente porque a supercondutividade aparece quando essa transição é suprimida.”
Um grupo liderado por Hirai, com o professor associado Naoyuki Katayama e o aluno Keita Kojima, da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Nagoya, investigou as propriedades e a estrutura cristalina do RuP em baixas temperaturas para esclarecer o mecanismo do MIT usando uma técnica chamada radiação síncrotron X difração de raios. Eles publicaram seus resultados no Jornal da Sociedade Química Americana.
O grupo descobriu que a distância uniforme entre átomos de moléculas de rutênio encontradas em temperaturas mais altas era modulada à medida que o sólido mudava de metal para isolante. Em baixas temperaturas, o cristal forma uma estrutura chamada trímero linear que se parece com uma treliça de jardim com uma série de triângulos dispostos com seus pontos superiores apontando para cima e para baixo e conectados em uma linha reta.
Um tipo diferente de molécula daquelas convencionalmente encontradas em sólidos, os trímeros RuP formam ligações químicas incorporando quatro elétrons à medida que entram na fase de baixa temperatura. Isso pode ajudar a resolver o enigma de como um metal pode ser um condutor em altas temperaturas, mas um isolante em temperaturas mais baixas. Os elétrons são importantes para o fluxo de eletricidade; portanto, quando são capturados para formar essas moléculas trigêmeas, eles impedem o fluxo de eletricidade.
“Descobrimos que o rutênio muda de metal para isolante conectando três átomos de moléculas em linha reta e capturando elétrons”, explica Hirai. “O novo tipo de molécula é composto de três átomos conectados por quatro elétrons, enquanto a maioria das moléculas encontradas em sólidos até agora foi composta por dois átomos conectados por dois elétrons. As moléculas vêm em uma ampla variedade de formas e tipos de ligação, mas existem Existem poucas variações conhecidas em sólidos. Orbitais moleculares encontrados em RuP são importantes porque mostram que há diversidade na formação molecular, mesmo em sólidos.”
A formação de moléculas em sólidos, que transforma suas propriedades elétricas e ópticas, pode ser aplicada a sensores e dispositivos de comutação. Mas as descobertas da equipe expandem essa direção da pesquisa. “A descoberta de vários tipos de moléculas pode permitir mudanças mais rápidas nas propriedades, respostas mais rápidas e controle molecular usando campos magnéticos, elétricos e de estresse”, explica Hirai. “A formação do orbital molecular altera significativamente a condutividade elétrica, que pode ser usada como um sensor de temperatura. Além disso, como a formação de orbitais moleculares também altera significativamente a transmitância da luz, também estamos considerando janelas inteligentes que alteram a transmitância da luz dependendo da temperatura.”
Esta pesquisa foi financiada pelo Grant-in-Aid for Scientific Research (JP20H01858, JP22H01178) da Japan Society for the Promotion of Science e pelo Grant-in-Aid for Scientific Research on Inovative Areas (Research Area Proposal Type) “Control and Function de Cristais Líquidos Quânticos” (JP22H04462).
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Nagoia. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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