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  • Estudos fornecem respostas sobre materiais 2-D promissores

    Esta visualização mostra camadas de grafeno usadas para membranas. Crédito:Universidade de Manchester

    Bidimensional, materiais em camadas são uma grande promessa para uma série de aplicações, como plataformas alternativas para a próxima geração de dispositivos lógicos e de memória e dispositivos flexíveis de armazenamento de energia. Ainda tem muito, Contudo, que permanece desconhecido sobre eles.

    Dois estudos do laboratório de Judy Cha, Carol e Douglas Melamed Professores Associados de Engenharia Mecânica e Ciência de Materiais e membro do Instituto de Ciências de Energia do Campus Oeste de Yale, responda a algumas perguntas cruciais sobre esses materiais. Ambos os estudos foram financiados com bolsas do Gabinete de Pesquisa do Exército (ARO), um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA, e foram publicados em Materiais Eletrônicos Avançados.

    Em um jornal, Cha e sua equipe de pesquisadores, em colaboração com os professores de química de Yale Nilay Hazari e Hailiang Wang, mediu experimentalmente os efeitos precisos de dopagem de pequenas moléculas em materiais 2-D - um primeiro passo em direção a moléculas sob medida para modular as propriedades elétricas de materiais 2-D. No processo de fazer isso, eles também alcançaram uma concentração de dopagem muito alta.

    Dopagem - adição de impurezas como boro ou fósforo ao silício, por exemplo - é essencial para o desenvolvimento de semicondutores. Ele permite o ajuste das densidades dos portadores - o número de elétrons e outros portadores de carga - para produzir um dispositivo funcional. Métodos convencionais de dopagem, Contudo, tendem a consumir muita energia e são potencialmente prejudiciais para funcionar bem com materiais 2-D.

    Em vez de, porque os materiais 2-D são praticamente todos superficiais, pesquisadores podem borrifar pequenas moléculas conhecidas como doadores de elétrons orgânicos (OED) nas superfícies, e ativar os materiais 2-D, ou seja, criar funcionalização de superfície. Graças à química orgânica, o método é extremamente eficaz. Também amplia muito a escolha do material a ser usado. Para este estudo, Cha usou dissulfeto de molibdênio (MoS 2 )

    Contudo, para otimizar ainda mais esses materiais, os pesquisadores precisam de um maior nível de precisão. Eles precisam saber quantos elétrons cada molécula do OED doa ao material 2-D, e quantas moléculas são necessárias ao todo.

    "Ao fazê-lo, podemos seguir em frente e projetar corretamente, saber como ajustar as moléculas e, em seguida, aumentar as densidades de portadores, "Cha disse.

    Para fazer esta calibração, Cha e sua equipe usaram microscopia de força atômica no Imaging Core no West Campus de Yale. Para seu material, eles alcançaram uma eficiência de dopagem de cerca de um elétron por molécula, o que lhes permitiu demonstrar o nível de dopagem mais alto já alcançado no MoS2. Isso só foi possível pelas medições precisas que foram realizadas.

    "Agora que sabemos o poder do doping, não estamos mais no espaço escuro de não saber onde estamos, "ela disse." Antes, poderíamos usar drogas, mas não saberíamos quão eficaz é esse doping. Agora temos algumas densidades de elétrons alvo que queremos atingir e sentimos que sabemos como chegar lá. "

    Em um segundo artigo, A equipe de Cha analisou os efeitos da tensão mecânica no pedido de lítio em baterias de íon-lítio.

    As baterias de íon de lítio comerciais atuais usam grafite como ânodo. Quando o lítio é inserido nas lacunas entre as camadas de grafeno que compõem o grafite, as lacunas precisam se expandir para abrir espaço para os átomos de lítio.

    "Então, perguntamos 'E se você interromper essa expansão?'", Disse Cha. "Descobrimos que o esforço local afeta a ordenação do íon de lítio. Os íons de lítio efetivamente ficam mais lentos."

    Quando há uma energia de deformação, o lítio não é capaz de se mover tão livremente como antes, e mais energia é necessária para forçar o lítio em sua configuração preferida.

    Calculando os efeitos exatos da energia de deformação, A equipe de pesquisa de Cha conseguiu demonstrar com precisão o quanto os átomos de lítio ficam mais lentos.

    O estudo tem implicações mais amplas, particularmente se o campo se afastar das baterias de lítio em favor daquelas feitas de outros materiais mais facilmente disponíveis, como sódio ou magnésio, que também pode ser usado para baterias recarregáveis.

    "O sódio e o magnésio são muito maiores, então a lacuna precisa se expandir muito mais em comparação com o lítio, então os efeitos da tensão serão muito mais dramáticos, ", disse ela. Os experimentos no estudo fornecem uma compreensão semelhante dos efeitos que a tensão mecânica pode ter sobre esses outros materiais.

    Os pesquisadores da ARO disseram que os estudos de Cha serão muito úteis para o avanço de seu próprio trabalho.

    "Os resultados obtidos nesses dois estudos relacionados a novos materiais bidimensionais são de grande importância para o desenvolvimento de futuras aplicações avançadas do Exército em sensoriamento e armazenamento de energia, "disse o Dr. Pani Varanasi, chefe de filial, ARO.


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