É um mundo material, e extremamente versátil nisso, considerando seus blocos de construção mais básicos - átomos - podem ser conectados entre si para formar diferentes estruturas que retêm a mesma composição.

Diamante e grafite, por exemplo, são apenas dois dos muitos polimorfos de carbono, o que significa que ambos têm a mesma composição química e diferem apenas na maneira como seus átomos estão conectados. Mas que diferença enorme essa conectividade faz:a primeira entra em um anel e custa milhares de dólares, enquanto o último tem que se contentar com um humilde lápis.

O dióxido de háfnio composto inorgânico comumente usado em revestimentos ópticos também tem vários polimorfos, incluindo uma forma tetragonal com propriedades altamente atraentes para chips de computador e outros elementos ópticos. Contudo, porque essa forma é estável apenas em temperaturas acima de 3.100 graus Fahrenheit - pense no inferno em chamas - os cientistas tiveram que se contentar com seu polimorfo monoclínico mais limitado. Até agora.

Uma equipe de pesquisadores liderada pelo químico Beth Guiton da University of Kentucky e pelo químico Sarbajit Banerjee da Texas A&M University, em colaboração com o engenheiro de ciência de materiais do Texas A&M Raymundo Arroyave, encontrou uma maneira de alcançar esta fase tetragonal altamente procurada a 1100 graus Fahrenheit.

A pesquisa da equipe, publicado hoje em Nature Communications , detalha sua observação desta espetacular transformação átomo por átomo, testemunhado com a ajuda de microscópios incrivelmente poderosos no Laboratório Nacional de Oak Ridge. Depois de reduzir as partículas monoclínicas de dióxido de háfnio até o tamanho de minúsculos nanobastões de cristal, eles gradualmente os aqueceram, prestando muita atenção à estrutura semelhante a um código de barras que caracteriza cada nanorod e, em particular, seu par de nanoescala, listras formadoras de falha que parecem funcionar como marco zero para a transição.

"Neste estudo, estamos observando uma minúscula haste de óxido de metal se transformar de uma estrutura, que é o material típico encontrado em temperatura ambiente, em um diferente, estrutura relacionada geralmente não estável abaixo de 3100 graus Fahrenheit, "disse Guiton, que é professor associado de química no UK College of Arts &Sciences. "Isso é significativo porque o material de alta temperatura tem propriedades incríveis que o tornam um candidato para substituir o dióxido de silício na indústria de semicondutores, que é construído em silício. "

A indústria de semicondutores há muito confia no dióxido de silício como seu fino, camada não condutiva de escolha na lacuna crítica entre o eletrodo da porta - a válvula que liga e desliga um transistor - e o transistor de silício. O afinamento consistente dessa camada não condutiva é o que permite que os transistores se tornem menores e mais rápidos, mas Guiton aponta que existe algo muito fino - o ponto em que os elétrons começam a espalhar-se pela barreira, assim aquecendo seus arredores e drenando energia. Ela diz que a maioria de nós viu e sentiu esse cenário até certo ponto (trocadilho intencional), por exemplo, enquanto assistia a vídeos em nossos telefones e a bateria drenava simultaneamente enquanto o dispositivo em nossa palma visivelmente começava a aquecer.

À medida que os chips de computador ficam menores, mais rápido e poderoso, suas camadas isolantes também devem ser muito mais robustas - atualmente um fator limitante para a tecnologia de semicondutores. Guiton diz que esta nova fase da hafnia é uma ordem de magnitude melhor para resistir a campos aplicados.

Quando se trata de observar a transição estrutural da hafnia entre seu estado monoclínico tradicional e esta fase tetragonal comercialmente desejável em temperatura próxima à ambiente, Banerjee diz que não é diferente da televisão popular - especificamente, o "Hall of Faces" no programa da HBO "Game of Thrones".

"Em essência, conseguimos assistir em tempo real, átomo por átomo, conforme a hafnia é transformada para uma nova fase, muito parecido com Arya Stark vestindo um novo rosto, "Banerjee disse." A nova fase da hafnia tem um valor 'k' muito maior, representando sua capacidade de armazenar carga, o que permitiria que os transistores funcionassem muito rapidamente enquanto apenas sugavam a energia, em vez de miná-la. As listras acabaram sendo muito importantes, já que é aí que a transição começa quando a hafnia perde suas listras. "

Arroyave credita informações em escala atômica em tempo real para permitir ao grupo descobrir que a transformação ocorre de uma maneira muito diferente em níveis de nanoescala do que dentro das partículas macroscópicas que resultam na forma monoclínica de hafnia. O fato de ser em nanoescala, em primeiro lugar, é o motivo pelo qual ele diz que a transição ocorre em, ou muito mais perto de, temperatura do quarto.

"Por meio da síntese em nanoescala, a 'altura' da barreira de energia que separa as duas formas foi reduzida, tornando possível observar hafnia tetragonal em temperaturas muito mais baixas do que o normal, "Disse Arroyave." Isso aponta para estratégias que podem ser usadas para estabilizar uma série de formas úteis de materiais que podem permitir uma ampla gama de funcionalidades e tecnologias associadas. Este é apenas um exemplo das vastas possibilidades que existem quando começamos a explorar o espaço dos materiais 'metaestáveis'. "

Banerjee diz que este estudo sugere uma maneira de estabilizar a fase tetragonal na temperatura ambiente real - o que ele observa que seu grupo realizou anteriormente por meio de um método diferente no ano passado - e grandes implicações para o rápido, transistores de baixo consumo de energia capazes de controlar a corrente sem consumir energia, reduzindo a velocidade ou produzindo calor.

"As possibilidades são infinitas, incluindo laptops ainda mais potentes que não esquentam e não consomem energia de suas baterias e smartphones que 'mantêm a calma e continuam, '"Banerjee disse." Estamos tentando aplicar esses mesmos truques a outros polimorfos de dióxido de háfnio e outros materiais - isolando outras fases que não são prontamente estabilizadas em temperatura ambiente, mas também podem ter propriedades estranhas e desejáveis. "