Pesquisadores das universidades de Jyvaskyla (Finlândia) e Xiamen (China) descobriram uma nova maneira de fazer materiais cristalinos macroscópicos funcionais a partir de aglomerados intermetálicos de prata-ouro de 34 átomos de tamanho nanométrico. O material do cluster tem uma condutividade elétrica altamente anisotrópica, sendo um semicondutor em uma direção e um isolador elétrico em outras direções. A síntese do material e suas propriedades elétricas foram investigadas em Xiamen e a caracterização teórica do material foi realizada em Jyvaskyla. A pesquisa foi publicada online em Nature Communications em 6 de maio, 2020.

Os aglomerados de metal foram sintetizados por meio de química úmida, adição de sais de ouro e prata e moléculas de etiniladamantano em uma mistura de metanol e clorofórmio ou diclorometano. Todas as sínteses produziram os mesmos aglomerados de prata-ouro de 34 átomos com uma estrutura atômica idêntica, mas surpreendentemente, o uso de solvente diclorometano / metanol iniciou uma reação de polimerização após a formação do agrupamento em solução e crescimento de cristais únicos com espessura de cabelo humano consistindo em cadeias poliméricas alinhadas dos agrupamentos.

Os cristais se comportaram como um material semicondutor na direção do polímero e como um isolante elétrico nas direções transversais. Este comportamento surge da ligação atômica metal-metal na direção do polímero, enquanto nas direções cruzadas os aglomerados de metal são isolados uns dos outros por uma camada de etiniladamantano.

A modelagem teórica do material do cluster por meio de simulações intensivas em computador usando a teoria do funcional da densidade previu que o material tem um gap de energia de 1,3 eV para excitações eletrônicas. Isso foi confirmado por medições de absorção óptica e condutividade elétrica em um layout onde cristais únicos montamos como parte de um transistor de efeito de campo, que mostrou uma propriedade semicondutora do tipo p do material. A condutividade elétrica ao longo da direção do polímero foi de cerca de 1800 vezes em comparação com as direções transversais.

"Ficamos muito surpresos com a observação de que a formação do polímero pode ser controlada por meio simples de alterar as moléculas do solvente. Descobrimos isso provavelmente por boa sorte, mas esperamos que este resultado possa ser aplicado no futuro para projetar materiais nanoestruturados hierárquicos com a funcionalidade desejada, "diz o professor Nanfeng Zheng da Universidade de Xiamen, quem liderou o trabalho experimental.

"Este trabalho mostra um exemplo interessante de como as propriedades macroscópicas do material podem ser projetadas na síntese bottom-up de nanomateriais. A modelagem teórica deste material foi bastante desafiadora devido a um modelo em grande escala que tivemos que construir para dar conta da periodicidade correta de o cristal de polímero. Para este fim, nós nos beneficiamos muito de ter acesso a alguns dos maiores supercomputadores da Europa, "diz o professor da Academia Hannu Hakkinen da Universidade de Jyvaskyla, quem conduziu o trabalho teórico.