Enquanto um filme sobre robôs gigantes que passam por transformações estruturais está quebrando recordes de bilheteria neste verão, um estudo científico sobre transformações estruturais em nanocristais individuais está abrindo novos caminhos para o design de novos materiais que servirão para baterias de armazenamento de energia de próxima geração e dispositivos de coleta de energia solar. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) relataram a primeira observação direta de transformações estruturais em um único nanocristal de sulfeto de cobre, um semicondutor que deverá desempenhar um papel importante nas tecnologias de energia do futuro.

Usando TEAM 0,5, um dos microscópios eletrônicos de transmissão mais poderosos do mundo, um grupo de pesquisa liderado pelo diretor do Berkeley Lab, Paul Alivisatos, observaram flutuações estruturais em um nanocristal de sulfeto de cobre conforme ele fazia a transição entre as fases de estado sólido de baixa e alta calcocita. Essas flutuações são altamente relevantes para a compreensão de fenômenos como a forma como o íon

o transporte ocorre dentro dos eletrodos durante o carregamento e descarregamento das baterias, ou como as estruturas de um material sólido podem mudar na interface entre um eletrodo e um eletrólito.

"EQUIPE 0,5, com sua ótica eletrônica avançada e sistemas de gravação, permite a geração de imagens de amostra rápida com sensibilidade de átomo único na tabela periódica e maior eficiência de coleta. Isso oferece oportunidades extraordinárias para estudar a dinâmica da transformação estrutural in situ com resolução atômica, "Alivisatos diz.

"Neste estudo, " ele adiciona, "observamos a dinâmica de transformação estrutural em um nanobastão de sulfeto de cobre de uma estrutura de calcocita baixa a alta com detalhes sem precedentes, e descobriram que essa dinâmica é fortemente influenciada por defeitos no cristal do nanorod. Nossas descobertas sugerem estratégias para suprimir ou auxiliar tais transformações que devem auxiliar no projeto futuro de materiais com fases novas e controladas. "

O conceito popular de transições de fase é o de um material, em resposta às mudanças de temperatura, passando por uma transformação de um sólido para um líquido ou gás, ou seja, gelo para água para vapor. Mas alguns materiais sólidos, especialmente em nanoescala, quando sujeito a mudanças de temperatura pode fazer a transição entre mais duas fases diferentes em sua estrutura cristalina. Sulfeto de cobre, por exemplo, pode ser transformada a partir de uma estrutura hexagonal complexa conhecida como fase de calcocita baixa, a uma estrutura hexagonal mais simples, conhecida como fase de alta calcocita. Como essas "transformações estruturais de primeira ordem" podem alterar as propriedades de um nanocristal, eles são de grande interesse para uma ampla gama de campos científicos e têm implicações importantes para várias tecnologias.

"Em sistemas em nanoescala, a barreira energética para uma escala de transformação estrutural com o tamanho do cristal, "diz Alivisatos." Quando o tamanho de um nanocristal está em um regime onde a energia térmica é comparável à barreira de energia para a transformação de fase, flutuações entre duas estruturas estáveis ​​ocorrem no ponto de transição, e são relevantes para muitos fenômenos moleculares e de estado sólido próximos ao equilíbrio. "

Alivisatos, o Professor Larry e Diane Bock de Nanotecnologia da Universidade da Califórnia (UC) Berkeley, é o autor correspondente de um artigo na revista Ciência intitulado "Observação da dinâmica de transformação estrutural transitória em um Nanorod Cu2S."

O co-autor deste artigo foi Haimei Zheng, Jessy Rivest, Timothy Miller, Bryce Sadtler, Aaron Lindenberg, Michael Toney, Lin-Wang Wang e Christian Kisielowski.

"Durante as transições de fase do sulfeto de cobre entre a estrutura de calcocita baixa e calcocita alta, os íons de enxofre permanecem em uma estrutura de rede rígida, enquanto os íons de cobre se movem dentro da rede de íons de enxofre, "diz Haimei Zheng, autor principal e co-correspondente do artigo da Science.

"Observamos onde a fase nuclea na superfície do nanobastão e dentro do núcleo e como a transformação de fase se propaga, "Zheng diz." Também observamos os efeitos dos defeitos. Por exemplo, observamos que uma falha de empilhamento cria uma barreira para o movimento de íons de cobre e, portanto, bloqueia a propagação de fase. Essas observações nos fornecem novos insights importantes sobre as vias atômicas das transformações estruturais de primeira ordem. "

De acordo com a teoria da transição de fase, um cristal sólido irá flutuar entre duas estruturas de equilíbrio perto da fase
ponto de transição antes de atingir uma configuração estável, e que esta região de transição se alarga em pequenos cristais. Para testar esta teoria, Zheng, Alivisatos e seus co-autores zapped nanobastões de sulfeto de cobre com um feixe de elétrons do microscópio TEAM 0.5, em seguida, observaram e viram as flutuações previstas.

"Antes dos microscópios TEAM, tais detalhes das flutuações entre duas fases de estado sólido em um nanocristal não poderiam ter sido observados, "diz Zheng." Nossos resultados devem ser do interesse dos teóricos que tentam simular transformações estruturais em sólidos, pois nem um estudo em materiais a granel nem no conjunto de nanomateriais tem a capacidade de revelar tais características específicas das vias de transição de fase. "

TEAM significa Microscópio com Correção de Aberração Eletrônica de Transmissão. O TEAM 0.5 e seu instrumento irmão TEAM 1.0 são capazes de produzir imagens com resolução de meia angstrom - menor que o diâmetro de um único átomo de hidrogênio. Ambos os microscópios estão alojados no Berkley Lab no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica do DOE (NCEM).

O próximo passo para ela, Zheng diz, será abordar questões relativas ao transporte de íons com mudanças de material da bateria na interface eletrodo / eletrólito, e mudanças estruturais de catalisadores de nanopartículas.

"Esses estudos compartilham o mesmo objetivo de desenvolver a compreensão microscópica das transformações estruturais dos materiais, especialmente aqueles que são importantes para aplicações de energia, "Zheng diz." Microscopia eletrônica de transmissão in situ, especialmente nossos recentes avanços técnicos em imagens dinâmicas por meio de líquidos ou gases, bem como na polarização elétrica aplicada, fornece uma ferramenta poderosa para esses estudos. "