O que acontece quando os íons estão passando por materiais sólidos? É quase impossível observar isso diretamente, mas os cientistas da TU Wien encontraram uma maneira de superar esse problema.

Estados atômicos muito incomuns são produzidos na TU Wien:os íons são criados removendo não apenas um, mas 20 a 40 elétrons de cada átomo. Esses "íons altamente carregados" desempenham um papel importante na pesquisa atual.

Por muito tempo, as pessoas têm investigado o que acontece quando esses íons altamente carregados atingem materiais sólidos. Isso é importante para muitas áreas de aplicação na pesquisa de materiais. Portanto, é crucial saber como o estado de carga dos íons muda quando eles penetram um material - mas isso é exatamente o que foi impossível observar diretamente até agora. Novas medições na TU Wien (Viena) mostram que os íons obedecem a leis extremamente simples.

Materiais de sondagem camada por camada

Quando íons altamente carregados penetram em um material sólido, eles podem recuperar os elétrons ausentes do material e, assim, tornar-se eletricamente neutros. Mas como e onde isso acontece exatamente é difícil de investigar, porque isso acontece dentro do material.

“Sabíamos que esse processo deve ser muito rápido, porque mesmo uma camada bastante fina de material é suficiente para neutralizar completamente os íons, "diz Anna Niggas, primeiro autor do presente estudo. Ela está atualmente trabalhando em sua dissertação no grupo do Prof. Richard Wilhelm no Instituto de Física Aplicada da TU Wien.

Observar visualmente os processos dentro do material pode ser quase impossível, mas novos materiais 2D, como o grafeno, que consiste em apenas uma única camada de átomos de carbono, agora dê aos cientistas a chance de chegar ao fundo desses fenômenos pela primeira vez:"Camadas de grafeno podem ser empilhadas umas sobre as outras, para que amostras cada vez mais espessas sejam criadas - você pode montar um corpo sólido camada por camada, "diz Richard Wilhelm." Nós estudamos solteiros, camadas duplas e triplas de grafeno. Dessa maneira, podemos ver passo a passo, camada atômica por camada atômica, como os íons altamente carregados mudam. "

Desta maneira, você pode estudar uma transição, de uma única camada atômica a um material tridimensional comum. Grafite, o material de grafite de lápis é feito, nada mais é do que um grande número de camadas de grafeno empilhadas umas sobre as outras.

É o tempo que importa

Os íons passam por diferentes camadas de carbono em velocidades diferentes. Acontece que o fator decisivo é o tempo que o projétil passa nas vizinhanças imediatas das camadas atômicas. "Se levarmos em conta que os íons passam duas ou três vezes mais tempo em contato com átomos de carbono em seu caminho através de duas ou três camadas de grafeno do que em uma única camada de grafeno, então pode ser explicado com uma fórmula simples a rapidez com que os íons capturam elétrons e mudam seu estado de carga, "Anna Niggas explica." Com nossos resultados, agora podemos calcular pela primeira vez quantas camadas atômicas são necessárias até que os íons sejam eletricamente neutros. "

Dinâmica com grande significado

A fim de estudar a dinâmica da captura de elétrons, deve-se primeiro preparar as amostras com muito cuidado. O Dr. Bernhard C. Bayer, do Instituto de Química de Materiais da TU Wien, conseguiu caracterizar com precisão as camadas atômicas usando microscopia de alta resolução - um grande desafio quando apenas muito pouco material está disponível para investigação nas camadas atomicamente finas.

As novas descobertas são importantes para muitas áreas de pesquisa:por um lado, fenômenos muito fundamentais podem ser estudados dessa maneira e são difíceis de acessar com outros métodos. Por outro lado, a interação entre íons e materiais sólidos também é importante para aplicações muito práticas - por exemplo, na análise de materiais, onde os íons são usados ​​para estudar as propriedades de novos tipos de materiais em detalhes, ou em tecnologia de semicondutores, onde feixes de íons são usados ​​para estruturar circuitos.