As aplicações exigentes de hoje na fabricação de produtos químicos, geração e armazenamento de energia, redução da poluição, e os cuidados de saúde estão impulsionando o desenvolvimento de novos materiais com funcionalidades catalíticas e optoeletrônicas. Contudo, para prever e controlar as propriedades de tais materiais, os cientistas têm estudado seu processo de desenvolvimento em nível molecular. Freqüentemente, uma compreensão detalhada é impedida pela presença de uma sopa complexa e mal definida de moléculas espectadoras que complicam a interpretação dos resultados experimentais e tornam difícil a modelagem teórica de alto nível.

Para destacar uma nova abordagem para superar esse desafio, cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e da Purdue University se uniram para revisar a técnica de pouso suave de íons e sua aplicação à síntese de materiais. Usar essa técnica para colocar suavemente moléculas selecionadas em superfícies permite que os cientistas mantenham um controle primoroso sobre os ingredientes moleculares que compõem materiais complexos.

O esforço foi recentemente incluído em um artigo de revisão convidado apresentado na Angewandte Chemie International Edition intitulado "De íons isolados a materiais funcionais multicamadas usando aterramento suave de íons".

No artigo de revisão, Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, e Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran descreve a abordagem e os benefícios da técnica de pouso suave de íons. Por exemplo, tal controle preciso é obtido pela primeira conversão de moléculas em íons, que são fáceis de manipular usando campos elétricos e magnéticos. Os íons são então classificados com precisão por sua composição e estado de carga iônica e entregues como um feixe concentrado de forma e tamanho conhecidos para uma superfície para preparar filmes e nanoestruturas sob medida. Os materiais resultantes têm composições predeterminadas, o que torna suas propriedades físicas medidas e reatividade química mais fáceis de atribuir a características geométricas e eletrônicas específicas observadas experimentalmente. Esse, por sua vez, permite a modelagem teórica e uma abordagem preditiva - em oposição a uma tentativa e erro - de design de material.

"O pouso suave de íons permite que os cientistas controlem com precisão a composição e a cobertura de uma ampla gama de moléculas, incluindo espécies não voláteis que, de outra forma, são difíceis de depositar, "disse Johnson, um físico químico no PNNL. Johnson mencionou que a técnica também pode ser usada para gerar novos clusters e nanopartículas usando técnicas baseadas em pulverização catódica energética, bem como intermediários altamente reativos que não podem ser produzidos usando métodos convencionais.

Esses cientistas foram convidados a escrever a revisão por causa de seus papéis principais no desenvolvimento da técnica para estudos em armazenamento de energia, síntese de materiais, e catálise e suas contribuições substanciais para o campo mais amplo de interações íon-superfície.

"Somos fascinados pela técnica de pouso suave de íons há mais de uma década, "disse Laskin, professor de química na Purdue University. "Ao longo dos anos, estabelecemos as capacidades experimentais e a compreensão dos fenômenos principais que são necessários para desenvolvê-los em uma abordagem poderosa para a síntese de materiais. "

Compreender as relações estrutura-propriedade é essencial para projetar materiais aprimorados para aplicações futuras. Tal compreensão permite que os pesquisadores evitem o trabalho intensivo, demorado, e experimentos de tentativa e erro caros que são necessários para explorar como diferentes parâmetros influenciam as propriedades e o desempenho de novos materiais. As relações estrutura-propriedade são desafiadoras para extrair de misturas complexas onde a presença de outros compostos inativos obscurece a resposta analítica das moléculas de interesse. A técnica de pouso suave de íons cria bem definidos, materiais de alto valor, como minúsculas partículas de metal e óxido de metal de tamanho e composição exatos para estudos em catálise heterogênea e armazenamento de energia eletroquímica (por exemplo, supercapacitores e baterias).

Pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory e Purdue University - Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, e Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran - foram convidados a preparar um artigo de revisão com base em seus anos de experiência no desenvolvimento da técnica de pouso suave de íons para estudos em armazenamento de energia, síntese de materiais, e catálise. O time, posicionada e determinada a continuar avançando na técnica de pouso suave de íons em uma abordagem única para a síntese de materiais, selecionou o conteúdo da revisão após examinar centenas de artigos de cientistas e colegas de laboratórios nacionais e universidades de todo o mundo.

Seu artigo de revisão em Angewandte Chemie International Edition —A Journal of the Gesellshaft Deutscher Chemiker — enfatizou os desenvolvimentos recentes em pouso suave ambiente, que permitem que certas vantagens do pouso suave de íons no vácuo sejam reproduzidas na bancada do laboratório com custo e complexidade reduzidos.

Prabhakaran, um cientista de materiais no PNNL, disse que a equipe descobriu que "pouso suave baseado em vácuo de alto fluxo combinado com caracterização eletroquímica in situ constitui uma abordagem versátil para a compreensão do papel de diferentes componentes ativos no desempenho de dispositivos de armazenamento de energia."

Além disso, a equipe descobriu que a técnica pode fornecer uma visão sobre como as propriedades dos íons moleculares em altas coberturas podem ser usadas para adaptar a morfologia inicial e a evolução estrutural dos filmes de fase condensada.

"Usamos o pouso suave de íons de alto fluxo para gerar camadas semelhantes a líquido fascinantes em superfícies pela primeira vez, "disse Warneke, um Humboldt Postdoctoral Fellow que veio para a PNNL da Alemanha especificamente para realizar pesquisas em pouso suave de íons. Warneke afirmou que "é uma ferramenta ideal para investigar as propriedades emergentes de camadas contendo um grande número de clusters e moléculas complexas, que pode abrir novas perspectivas na ciência da energia e outras disciplinas. "

A próxima etapa da pesquisa de pouso suave de íons é controlar o arranjo tridimensional das estruturas macroscópicas formadas por meio da deposição de íons de massa selecionada. Esse avanço permitirá que as propriedades dos materiais à base de íons sejam adaptadas com uma precisão ainda maior.