p Pesquisadores da Duke University revelaram a dinâmica molecular há muito escondida que fornece propriedades desejáveis ​​para aplicações de energia solar e energia térmica para uma classe de materiais chamada perovskita de haleto. p Um contribuidor chave para como esses materiais criam e transportam eletricidade literalmente depende da maneira como sua estrutura atômica se torce e gira em forma de dobradiça. Os resultados ajudarão os cientistas de materiais em sua busca para adaptar as receitas químicas desses materiais para uma ampla gama de aplicações de uma forma ecologicamente correta.

p Os resultados aparecem online no dia 15 de março no jornal Materiais da Natureza .

p "Há um grande interesse em perovskitas de haleto para aplicações de energia como fotovoltaica, termelétricas, detecção e emissão de radiação optoeletrônica - todo o campo é incrivelmente ativo, "disse Olivier Delaire, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke. "Embora entendamos que a suavidade desses materiais é importante para suas propriedades eletrônicas, ninguém sabia realmente como os movimentos atômicos que descobrimos sustentam esses recursos. "

p As perovskitas são uma classe de materiais que - com a combinação certa de elementos - crescem em uma estrutura cristalina que os torna particularmente adequados para aplicações de energia. Sua capacidade de absorver luz e transferir sua energia de forma eficiente os torna um alvo comum para pesquisadores que desenvolvem novos tipos de células solares, por exemplo. Eles também são macios, tipo como o ouro sólido pode ser facilmente amassado, o que lhes dá a capacidade de tolerar defeitos e evitar rachaduras quando transformados em uma película fina.

p Um tamanho, Contudo, não serve para todos, pois há uma grande variedade de receitas potenciais que podem formar uma perovskita. Muitas das receitas mais simples e mais estudadas incluem um halogênio - como o cloro, flúor ou bromo - dando-lhes o nome de perovskitas halogenadas. Na estrutura cristalina das perovskitas, esses haletos são as juntas que unem os motivos cristalinos octaédricos adjacentes.

p Embora os pesquisadores saibam que esses pontos de pivô são essenciais para criar as propriedades de uma perovskita, ninguém foi capaz de ver a maneira como eles permitem que as estruturas ao seu redor se torçam dinamicamente, vire e dobre sem quebrar, como um molde de gelatina sendo vigorosamente agitado.

p "Esses movimentos estruturais são notoriamente difíceis de definir experimentalmente. A técnica de escolha é o espalhamento de nêutrons, que vem com um grande esforço de análise de dados e instrumentos, e muito poucos grupos têm o comando sobre a técnica que Olivier e seus colegas fazem, "disse Volker Blum, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke, que faz modelagem teórica de perovskitas, mas não esteve envolvido neste estudo. "Isso significa que eles estão em uma posição de revelar as bases das propriedades dos materiais em perovskitas básicas que, de outra forma, seriam inacessíveis."

p No estudo, Delaire e colegas do Laboratório Nacional de Argonne, Laboratório Nacional de Oak Ridge, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, e a Northwestern University, revelam importantes dinâmicas moleculares do estruturalmente simples, perovskita halogenada comumente pesquisada (CsPbBr ₃ ) pela primeira vez.

p Os pesquisadores começaram com um grande, escala centimétrica, cristal único da perovskita halogenada, o que é notoriamente difícil de atingir tais tamanhos - uma das principais razões pelas quais esse tipo de estudo dinâmico não foi realizado antes. Eles então bombardearam o cristal com nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge e raios-X no Laboratório Nacional de Argonne. Ao medir como os nêutrons e os raios-X ricochetearam nos cristais em muitos ângulos e em diferentes intervalos de tempo, os pesquisadores descobriram como seus átomos constituintes se moviam ao longo do tempo.

p Depois de confirmar sua interpretação das medições com simulações de computador, os pesquisadores descobriram o quão ativa a rede cristalina realmente é. Motivos octaédricos de oito lados ligados uns aos outros por meio de átomos de bromo foram pegos se torcendo coletivamente em domínios semelhantes a placas e se curvando constantemente para frente e para trás de uma maneira muito fluida.

p "Por causa da forma como os átomos são organizados com motivos octaédricos compartilhando átomos de bromo como juntas, eles estão livres para ter essas rotações e curvas, "disse Delaire." Mas descobrimos que essas perovskitas halogenadas em particular são muito mais 'flexíveis' do que algumas outras receitas. Em vez de imediatamente voltar à forma, eles voltam muito devagar, quase mais como Jell-O ou um líquido do que um cristal sólido convencional. "

p Delaire explicou que essa dança molecular de espírito livre é importante para entender muitas das propriedades desejáveis ​​das perovskitas halogenadas. Sua 'flexibilidade' impede que os elétrons se recombinem nos buracos dos quais os fótons que chegam os expulsaram, o que os ajuda a produzir muita eletricidade com a luz do sol. E provavelmente também torna difícil para a energia térmica viajar através da estrutura cristalina, o que lhes permite criar eletricidade a partir do calor por ter um lado do material muito mais quente do que o outro.

p Porque a perovskita usada no estudo - CsPbBr ₃ - tem uma das receitas mais simples, no entanto, já contém as características estruturais comuns à ampla família desses compostos, Delaire acredita que essas descobertas provavelmente se aplicam a uma grande variedade de perovskitas halogenadas. Por exemplo, ele cita perovskitas orgânicas-inorgânicas híbridas (HOIPs), que tem receitas muito mais complicadas, bem como variantes de perovskita dupla sem chumbo que são mais ecológicas.

p "Este estudo mostra por que essa estrutura de perovskita é especial, mesmo nos casos mais simples, "disse Delaire." Essas descobertas muito provavelmente se estendem a receitas muito mais complicadas, que muitos cientistas em todo o mundo estão pesquisando atualmente. Enquanto eles examinam enormes bancos de dados computacionais, a dinâmica que descobrimos pode ajudar a decidir quais perovskites perseguir. "