Decodificando a estrutura e as propriedades de pigmentos refletivos de infravermelho próximo
Em um novo estudo, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Nagoya, no Japão, usam uma combinação de abordagens experimentais e teóricas para entender as propriedades ópticas, eletrônicas e magnéticas de sólidos complexos de compostos de perovskita em camadas, fornecendo informações valiosas. A abordagem é extensível a uma ampla gama de compostos cerâmicos cristalinos funcionalizados. Crédito:Ryohei Oka do Instituto de Tecnologia de Nagoya, Japão
As áreas urbanas sem cobertura arbórea suficiente são significativamente mais quentes do que seus arredores. Este efeito de "ilha de calor urbano" resulta principalmente de uma absorção de radiação infravermelha próxima (NIR) na luz solar. Pigmentos refletivos NIR que podem mitigar tais efeitos de aquecimento são, portanto, altamente desejáveis.
Em particular, os pigmentos inorgânicos funcionais são um candidato atraente nessa frente. De fato, o Dr. Ryohei Oka e seu colega do Instituto de Tecnologia de Nagoya, no Japão, demonstraram que compostos cerâmicos de perovskita em camadas do tipo A
2 BO
4 são ideais para refletir NIR. Em seu estudo anterior, descobriu-se que novas perovskitas, como óxido de manganês de cálcio adicionado de titânio (Ca
2 (Mn,Ti)O
4 ) as cerâmicas são muito melhores em refletir a radiação NIR do que os pigmentos pretos comercialmente disponíveis. No entanto, o mecanismo pelo qual o Ca
2 (Mn,Ti)O
4 consegue este feito notável permanece desconhecido.
Em um estudo recente publicado em
Inorganic Chemistry , Dr. Oka e seu colega, Dr. Tomokatsu Hayakawa, analisaram a estrutura e composição do Ca
2 (Mn,Ti)O
4 usando uma combinação de técnicas teóricas e experimentais padrão para investigar os fatores que contribuem para sua refletividade NIR aprimorada. Este artigo foi disponibilizado online em 19 de abril de 2022 e publicado no Volume 61 Edição 17 da revista em 2 de maio de 2022.
Em seu trabalho, a dupla empregou difração de raios X (DRX) e espectroscopia Raman em combinação com um método computacional chamado "teoria do funcional da densidade" (DFT) para extrair com sucesso detalhes faltantes sobre a estrutura cristalina e os estados eletrônicos do Ca
2 (Mn,Ti)O
4 . "Poucos estudos até agora conduziram a espectroscopia Raman de Ca
2 (Mn,Ti)O
4 . Além disso, eles não forneceram nenhum detalhe de seus modos vibracionais. No entanto, informações sobre seus estados eletrônicos e modos vibracionais são cruciais para entender como essas perovskitas se tornam refletores NIR tão bons”, diz o Dr. Oka, explicando a motivação por trás de sua abordagem.
A dupla analisou a estrutura cristalina do óxido de cálcio e manganês (Ca
2 MnO
4 ) e rastreou as mudanças estruturais que ocorreram com a adição de impurezas de Ti. Além disso, eles identificaram como as ligações químicas dentro da perovskita são modificadas ao introduzir impurezas de Ti. Eles descobriram que, em comparação com Ca
2 MnO
4 , Ca
2 (Mn,Ti)O
4 exibiram um pico Raman adicional que foi provavelmente devido à ativação de um "modo silencioso" causado pelas impurezas de Ti. No entanto, os padrões XRD de Ca
2 MnO
4 e Ca
2 (Mn,Ti)O
4 eram idênticos. A dupla atribuiu isso à correlação Ti-Ti a uma certa distância.
Outro destaque de seu estudo foi a notável concordância entre os resultados computacionais da DFT e os dados experimentais. As lacunas de energia obtidas dos três modelos para Ca
2 (Mn,Ti)O
4 utilizados pela dupla em seus cálculos concordaram entre si, bem como o valor experimental. Além disso, o resultado foi independente da substituição do Ti ou de sua posição no cristal. Além disso, os cálculos revelaram que a refletividade NIR aprimorada ao adicionar íons de Ti resultou de uma redução da "densidade de estados" (o número de estados eletrônicos por unidade de volume por unidade de energia) próximo ao nível de Fermi (o nível de energia mais alto que um elétron pode ocupar). temperatura zero absoluto).
Essas descobertas nos levam um passo mais perto para desvendar a propriedade de proteção térmica das cerâmicas de perovskita. A combinação perfeita de abordagens experimentais e teóricas desenvolvidas neste estudo fornece uma receita geral para entender a estrutura e as propriedades não apenas de A
2 BO
4 tipo cerâmica, mas uma gama de cerâmicas perovskita complexas. Como o Dr. Oka coloca, "Esta abordagem combinacional é aplicável a uma ampla gama de cerâmicas cristalinas funcionalizadas para entender suas propriedades ópticas, eletrônicas e magnéticas de uma maneira muito melhor com modelos estruturais mais confiáveis obtidos computacionalmente".
De fato, o entendimento detalhado do mecanismo de reflexão NIR aprimorado seria extremamente benéfico, pois os pigmentos inorgânicos encontram mais aplicação como revestimentos térmicos superiores para edifícios urbanos.
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