(A) Esquema do suporte de quartzo do qual a folha de cobre (Cu) está suspensa, (B) fotografia da configuração mostrada esquematicamente em (A). (C) Fotografia da folha de Cu de cristal único recozido (cerca de 2 cm × 8 cm), ao lado de uma régua. (D) Espectros de difração de raios-X (XRD) das três regiões na folha de Cu de cristal único recozido indicada por P1-P3 em (C). Crédito:IBS
Um grupo de pesquisa do Center for Multidimensional Carbon Materials, dentro do Institute for Basic Science (IBS), publicou um artigo em Ciência descrevendo um novo método para converter folhas metálicas policristalinas baratas em cristais únicos com propriedades superiores. Esses materiais têm muitas aplicações em ciência e tecnologia.
A estrutura da maioria dos materiais metálicos pode ser vista como uma colcha de retalhos de minúsculos cristais com alguns defeitos nas bordas entre cada remendo. Esses defeitos, conhecidos como limites de grãos (GBs), pioram as propriedades elétricas e às vezes mecânicas do metal. Por contraste, metais de cristal único não têm GBs e mostram maior condutividade elétrica e outras qualidades aprimoradas que podem desempenhar um papel importante em campos como a eletrônica, plasmônica e catálise, entre outros. Folhas de metal de cristal único também têm atraído muita atenção porque certos metais de cristal único, como cobre, níquel e cobalto são substratos adequados para o crescimento de grafeno sem defeitos, nitreto de boro e diamante.
Os cristais individuais são normalmente fabricados começando com a chamada "semente de cristal". Abordagens convencionais, como os métodos Czochralski ou Bridgman, ou outros com base na deposição de filmes finos de metal em substratos inorgânicos de cristal único, obter pequenos cristais únicos com altos custos de processamento.
Para desbloquear todo o potencial de tais estruturas metálicas, a equipe IBS liderada por Rodney Ruoff no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST), junto com Jin Sunghwan e Shin Hyung-Joon, inventou a técnica de recozimento sem contato (CFA). O CFA envolve o aquecimento das folhas de metal policristalino a uma temperatura ligeiramente abaixo do ponto de fusão de cada metal. Este novo método não precisa de sementes de cristal único ou modelos que limitem o tamanho máximo do cristal. O método foi testado com cinco tipos diferentes de folhas de metal:cobre, níquel, cobalto, platina e paládio. Resultou em um crescimento colossal de grãos, atingindo até 32 centímetros quadrados para o cobre.
Os detalhes do experimento variaram de acordo com o metal utilizado. No caso do cobre, os pesquisadores usaram suportes de quartzo e uma haste para pendurar a folha de metal como roupas penduradas em varais. Em seguida, a folha foi aquecida por várias horas em uma atmosfera de hidrogênio e argônio em uma fornalha em forma de tubo a aproximadamente 1050 graus Celsius (1323 graus Kelvin), uma temperatura próxima ao ponto de fusão do cobre (1358 K), e depois esfriou.
Folhas de grafeno crescidas sobre uma folha de cobre de cristal único. (Esquerda) Grafeno monocamada de cristal único de alta qualidade foi obtido em folha de cobre de cristal único, e (direita) grafeno multicamadas (de 2 a 10 camadas) em uma folha de liga de cobre-níquel de cristal único.
Figura 3:Os cristais mudam a orientação para minimizar a energia da superfície. Membros da equipe, DING Feng, ZHANG Leining, e DONG Jichen, contribuiu com um modelo e cálculos teóricos sobre 'crescimento colossal de grãos' que foi observado e estudado por meio de experimentos. SHIN Hyung-Joon chamou a atenção para a importância da "textura" inicial das folhas de metal policristalino e o papel que isso desempenha no crescimento colossal do grão. Na presença de grandes quantidades de vagas dentro da estrutura cristalina (5 por cento nesta simulação de dinâmica molecular), a orientação do cristal muda para minimizar a energia da superfície. Crédito:IBS
Os cientistas também conseguiram cristais únicos a partir de folhas de níquel e cobalto, cada um com cerca de 11 cm 2 . Os tamanhos alcançados são limitados pelo tamanho do forno. Para platina, aquecimento resistivo foi usado por causa de sua temperatura de fusão mais alta (2041 K). A corrente foi passada através de uma folha de platina ligada a dois eletrodos opostos, em seguida, um eletrodo foi movido e ajustado para manter a folha plana durante a expansão e contração. A equipe de pesquisa espera que esse truque funcione para outras folhas, porque também funcionou para o paládio.
Essas grandes folhas de metal de cristal único são úteis em várias aplicações. Por exemplo, eles podem servir para fazer crescer grafeno em cima deles. O grupo obteve grafeno monocamada de cristal único de alta qualidade em folha de cobre de cristal único, e grafeno multicamadas em uma folha de liga de cobre-níquel de cristal único.
A nova folha de cobre de cristal único apresentou propriedades elétricas aprimoradas. Os colaboradores Yoo Won Jong e Moon Inyong da Universidade Sungkyunkwan mediram um aumento de 7 por cento na condutividade elétrica da temperatura ambiente da folha de cobre de cristal único, em comparação com a folha policristalina disponível comercialmente.
"Agora que exploramos esses cinco metais e inventamos um método escalonável direto para fazer cristais únicos tão grandes, há a questão empolgante de saber se outros tipos de filmes de metal policristalino, como o ferro, também pode ser convertido em cristais únicos, "observa o primeiro autor do estudo, Jin Sunghwan.
Ruoff, seu supervisor, diz, "Agora que essas folhas de metal de cristal único baratas estão disponíveis, será extremamente emocionante ver como eles são usados pelas comunidades científica e de engenharia. "
