Para o consumidor comum, os melhores gadgets do mercado têm a maior velocidade, a maior memória e a maior duração da bateria. Perseguindo essa demanda, a vanguarda da pesquisa muitas vezes considera apenas essas métricas de desempenho tangíveis ao inovar e projetar eletrônicos de próxima geração. Na sequência desta debandada tecnológica, os impactos ambientais a longo prazo permanecem obscurecidos e negligenciados sob a poeira.



Pesquisadores da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD) esperam ser o catalisador para a ciência voltada para a sustentabilidade. O professor assistente Ang Yee Sin, do corpo docente de Ciências, Matemática e Tecnologia (SMT), observa que muitos materiais encontrados em dispositivos semicondutores convencionais vêm de processos de extração prejudiciais ao meio ambiente, são poluentes de alto risco ou representam graves riscos à saúde humana.

"A sustentabilidade em nível de material da tecnologia de dispositivos semicondutores é amplamente ignorada. Além disso, espera-se que muitos elementos usados ​​em dispositivos semicondutores se esgotem nos próximos 100 anos", acrescentou, levantando preocupação sobre a sustentabilidade de longo prazo e de ponta a ponta. .

Com estas considerações em mente, a sua equipa de investigação propôs um novo quadro unificador que identifica materiais de baixo risco para desenvolvimento posterior. Três questões principais orientaram a sua abordagem:1) Quão abundantes são os ingredientes crus? 2) Como podemos obtê-los? 3) Qual será o seu destino no final da sua vida operacional?

“No longo prazo, a eletrônica também deveria ser ‘impulsionada pelo clima’. As matérias-primas da tecnologia de semicondutores e da eletrónica devem ser compatíveis com a agenda global das alterações climáticas", afirmou Asst Prof Ang.

Asst Prof Ang e sua equipe buscaram colaborações com pesquisadores dos Estados Unidos, China e Malásia. Suas descobertas foram publicadas em um artigo intitulado "Rumo a materiais van der Waals bandgap ultralargos sustentáveis:um esforço de triagem ab initio", em Materiais Funcionais Avançados .

Em seu estudo, eles se concentraram em métodos computacionais de última geração usados ​​para complementar o campo crescente de nanoestruturas e materiais 2D ultrafinos. Com o advento de sistemas modernos de supercomputação, bancos de dados abrangentes e software de alta eficiência, a triagem computacional informada por simulação tornou-se um acessório popular na aceleração da formulação de materiais 2D. Esta abordagem seleciona materiais candidatos para esforços precisos de prototipagem experimental.

No entanto, os investigadores são muitas vezes dissuadidos de procurar opções ambientalmente seguras, acreditando que a aplicação de critérios de avaliação orientados para a sustentabilidade poderia reduzir substancialmente o número de fortes concorrentes disponíveis para aplicações específicas e levar a maus desempenhos no produto final.

Para demonstrar a viabilidade da pesquisa de materiais sustentáveis, a equipe publicou uma análise de possíveis materiais constituintes disponíveis para o projeto sustentável de semicondutores de bandgap ultralargo (UWBG). Esta classe específica de semicondutores desempenha um papel fundamental em muitas aplicações – desde transistores encontrados em computadores e smartphones até eletrônicos em veículos e sensores UV em detectores de incêndio e tecnologias de saúde.

No seu estudo, a equipa impôs restrições rigorosas à procura de materiais ideais. Esses materiais não devem representar riscos ao meio ambiente, não são perigosos para a saúde humana e não correm perigo de esgotamento. Além disso, eles devem atender aos principais requisitos para servir como semicondutores UWBG:devem ser adequados para operação em espera de baixo consumo de energia, ser mecanicamente robustos e podem funcionar bem como detectores de UV. A equipe também queria materiais que pudessem ser facilmente sintetizados em laboratório para garantir acessibilidade para pesquisas mais profundas.

Sob essas condições de pesquisa, os pesquisadores consolidaram sistematicamente os materiais candidatos e realizaram cálculos de inspiração quântica a partir dos fundamentos (ab initio) para garantir precisão e desempenho consistentes. De 3.000 entradas originais no banco de dados de materiais, o algoritmo de busca selecionou apenas 25 candidatos restantes. Com base em estudos anteriores, descobriu-se que esses materiais candidatos apresentam alto desempenho em uma ampla gama de aplicações.

"Nossa estrutura de triagem de materiais concentra-se não apenas em cenários de aplicação e indicadores-chave de desempenho, mas também nos critérios de sustentabilidade que eliminam materiais compostos por elementos de alto risco. Esta estrutura nos permite identificar candidatos a materiais que demonstram alto desempenho e também são sustentáveis ​​no material nível", explicou Asst Prof Ang.

As conclusões da equipa mostram que é possível realizar investigação orientada para a sustentabilidade, alcançando o equilíbrio entre desempenho e sustentabilidade. Asst Prof Ang disse:"Nossa estrutura de triagem de materiais motivada pela sustentabilidade pode servir como uma ferramenta crítica para procurar os blocos de construção de um cenário eletrônico mais verde, onde os dispositivos não são apenas mais rápidos, mais leves, mais baratos e têm uma bateria de maior duração, mas também também amigável ao meio ambiente e à saúde humana."

Indo além da demonstração, o Asst Prof Ang está confiante de que a estrutura desenvolvida pode ser aplicada a outras classes de materiais. Com a crescente consciência da carga antropológica sobre o ambiente, a investigação proporciona uma plataforma estimulante para cientistas, engenheiros e investigadores repensarem as tecnologias da próxima geração e a sua compatibilidade com as agendas verdes globais.

Asst Prof Ang está ansioso para generalizar sua inovação na triagem de materiais para outros materiais 2D. O objetivo de longo prazo da equipe é categorizar e pontuar materiais 2D de acordo com seu impacto ambiental para fornecer uma diretriz holística que possa informar ainda mais estudos futuros.

Mais informações: Chuin Wei Tan et al, Toward Sustainable Ultrawide Bandgap van der Waals Materials:An ab initio Screening Effort, Advanced Functional Materials (2023). DOI:10.1002/adfm.202308679
Informações do diário: Materiais Funcionais Avançados

Fornecido pela Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura