(superior) Ilustração esquemática do método de síntese em alta temperatura normalmente usado para síntese de materiais e (inferior) o método de troca iônica adequado para sintetizar fases metaestáveis. Crédito:Issei Suzuki Pesquisadores da Universidade de Tohoku revelaram um novo meio de prever como sintetizar novos materiais por meio da troca iônica. Com base em simulações de computador, o método reduz significativamente o tempo e a energia necessários para explorar materiais inorgânicos.
Detalhes de sua pesquisa foram publicados na revista Chemistry of Materials em 17 de abril de 2024.
Na busca por formar novos materiais que facilitem tecnologias energéticas eficientes e ecologicamente corretas, os cientistas confiam regularmente no método de reação em alta temperatura para sintetizar materiais inorgânicos. Quando as substâncias brutas são misturadas e aquecidas a temperaturas muito altas, elas são divididas em átomos e depois remontadas em novas substâncias. Mas esta abordagem tem algumas desvantagens. Somente materiais com estrutura cristalina energeticamente mais estável podem ser formados, e não é possível sintetizar materiais que se decomponham em altas temperaturas.
Pelo contrário, o método de troca iônica forma novos materiais a temperaturas relativamente baixas. Os íons de materiais existentes são trocados por íons de carga semelhante de outros materiais, formando assim novas substâncias inorgânicas. A baixa temperatura de síntese torna possível obter compostos que não estariam disponíveis pelo método usual de reação em alta temperatura.
Uma imagem da previsão da disponibilidade de troca iônica. Crédito:Issei Suzuki
Apesar do seu potencial, no entanto, a falta de uma abordagem sistemática para prever combinações de materiais apropriadas para a troca iónica tem dificultado a sua adopção generalizada, necessitando de laboriosas experiências de tentativa e erro.
“Em nosso estudo, previmos a viabilidade de materiais adequados para troca iônica usando simulações de computador”, diz Issei Suzuki, professor assistente sênior do Instituto de Pesquisa Multidisciplinar para Materiais Avançados da Universidade de Tohoku e coautor do artigo.
As simulações envolveram a investigação do potencial para reações de troca iônica entre óxidos ternários do tipo wurtzita e halogenetos/nitratos. Especificamente, Suzuki e seus colegas realizaram simulações em 42 combinações de β-M
I
GaO2 , M
Eu
=Na, Li, Cu, Ag como precursores e halogenetos e nitratos como fontes de íons.
Os resultados da simulação foram divididos em três categorias:"ocorre troca iônica", "não ocorre troca iônica" e "ocorre troca iônica parcial (forma-se solução sólida). Para confirmar seus resultados, os pesquisadores verificaram a simulação por meio de experimentos reais, confirmando um acordo entre simulação e experimentos em todas as 42 combinações.
A Suzuki acredita que o seu avanço irá acelerar o desenvolvimento de novos materiais adequados para tecnologias energéticas melhoradas. "Nossas descobertas mostraram que é possível prever se a troca iônica é viável e projetar reações antecipadamente sem tentativa e erro experimental. No futuro, planejamos usar este método para procurar materiais com propriedades novas e atraentes que irão abordar problemas de energia."
