Os cientistas há muito são fascinados pelo material dióxido de vanádio, que pode alternar entre um estado metálico e um estado isolante quando aquecido ou resfriado. Esta propriedade incomum tem potencial para aplicações em eletrônica e armazenamento de energia, mas os cientistas não compreenderam totalmente os mecanismos fundamentais por trás dessa transição.

Agora, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford usou uma poderosa técnica de espalhamento de raios X para sondar a estrutura atômica do dióxido de vanádio durante essa transição. As suas descobertas, publicadas na Nature Materials, revelam uma nova compreensão de como os átomos do material se reorganizam à medida que muda de estado e podem ajudar os cientistas a projetar materiais com propriedades semelhantes para aplicações específicas.

“O dióxido de vanádio é um material interessante devido ao seu potencial para aplicações, mas o seu comportamento tem sido um enigma”, disse a cientista da equipe do SLAC, Giulia Mancini, que liderou o estudo. "Queríamos entender por que ele muda de metal para isolante e quais são os mecanismos atômicos por trás dessa mudança."

Quando aquecido acima de uma certa temperatura, o dióxido de vanádio sofre uma transformação estrutural onde os átomos em sua rede cristalina se reorganizam repentinamente. Essa mudança faz com que o material perca suas propriedades metálicas e se torne um isolante, o que significa que ele não conduz mais bem a eletricidade.

Os pesquisadores usaram a Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC, um laser de elétrons livres que produz pulsos de raios X extremamente intensos, para estudar a estrutura atômica do dióxido de vanádio enquanto ele passa por essa transição. Ao disparar estes pulsos em amostras do material, eles poderiam capturar instantâneos das posições atômicas com detalhes sem precedentes.

Seus resultados mostraram que o rearranjo envolve uma mudança sutil na inclinação dos octaedros vanádio-oxigênio, que são os blocos de construção da rede cristalina. Este pequeno ajuste provoca uma mudança nas propriedades eletrônicas do material, levando à mudança de metal para isolante.

“Para nossa surpresa, observamos uma nova fase intermediária na transição do material”, disse o autor principal Yixi Xu, pesquisador de pós-doutorado em Stanford. "Esta fase pode ser um fator chave na compreensão da física subjacente e pode nos ajudar a projetar materiais que apresentem transformações reversíveis semelhantes para aplicações tecnológicas."

A equipe de pesquisa planeja investigar mais a fundo esta fase intermediária e explorar como ela poderia ser controlada e usada em futuros materiais para dispositivos eletrônicos.

O estudo foi financiado pelo Office of Science do DOE, pelo LCLS Facility do SLAC e pela National Science Foundation.