p (Phys.org) - Três professores de química da Universidade de Chicago esperam que suas diferentes trajetórias de pesquisa convergirão para criar uma nova maneira de reunir o que eles chamam de "átomos projetados" em materiais com uma ampla gama de propriedades e funções potencialmente úteis. p Esses "átomos projetados" seriam nanocristais - arranjos cristalinos de átomos destinados a serem manipulados de maneiras que vão além do uso padrão de átomos na tabela periódica. Essas matrizes seriam adequadas para enfrentar os desafios da energia solar, computação quântica e materiais funcionais.

p Os sócios do projeto são o Prof. David Mazziotti, e os professores associados Greg Engel e Dmitri Talapin. Todos os três fizeram avanços importantes que são críticos para levar o projeto adiante. Agora, com US $ 1 milhão em financiamento da Fundação W. M. Keck, eles podem construir seus avanços separados de uma forma combinada em direção a um novo objetivo.

p "Se você olhar para a história da ciência, um grande desenvolvimento começa com pessoas de diferentes origens conversando e aprendendo umas com as outras e fazendo algo realmente revolucionário em vez de incremental, "Talapin disse.

p Os desenvolvimentos no laboratório da Talapin constituem o núcleo do projeto. Um químico inorgânico sintético, ele é especialista na criação de nanocristais de engenharia precisa com características bem definidas.

p Os nanocristais consistem em centenas ou milhares de átomos. Isso é pequeno o suficiente para que novos fenômenos quânticos comecem a surgir, mas grande o suficiente para fornecer "módulos" convenientes para o design de novos materiais. "É uma combinação interessante em que você constrói materiais não a partir de átomos individuais, mas a partir das unidades que se assemelham aos átomos de muitas maneiras, mas também se comportam como um metal, semicondutor ou ímã. É um pouco louco, "Talapin disse.

p O potencial dos novos arranjos pode exceder o dos elementos existentes. Os químicos não conseguem ajustar as propriedades do hidrogênio ou hélio, por exemplo, mas eles podem ajustar as propriedades dos nanocristais.

p "Você constrói química a partir de átomos, e a mecânica quântica fornece princípios para fazer isso, "disse Mazziotti, referindo-se às leis da física que dominam o mundo em escalas ultrapequenas. "Do mesmo jeito, prevemos enormes oportunidades em termos de usar matrizes nanocristalinas e nanocristais como blocos de construção para novas estruturas, onde os montamos em sistemas fortemente correlacionados. "

p Blocos de construção nanocristalinos

p A essência da correlação forte, de ligações químicas, da química em geral, são as conexões entre as partículas e como as propriedades dessas partículas mudam à medida que se ligam umas às outras, Engel observou. "É sobre novas propriedades emergentes provenientes da forte mistura entre os estados eletrônicos das partículas, da mesma forma que dois átomos se juntam para formar uma molécula, " ele disse.

p Os gases hidrogênio e oxigênio têm propriedades muito diferentes. No entanto, quando dois átomos de hidrogênio compartilham elétrons com um átomo de oxigênio, eles formam água. A ambição do trio UChicago é estender esta estrutura do nível de átomos individuais para o nível de pequenos, objetos funcionais, como metal ou semicondutores magnéticos.

p A chave para seu projeto é controlar o grau de correlação entre elétrons em diferentes nanocristais. Em 2009, Talapin e seus colaboradores desenvolveram uma maneira de controlar os movimentos dos elétrons à medida que eles se movem de um nanocristal para o próximo. Sua "cola eletrônica" permite que os nanocristais de semicondutores transfiram com eficiência suas cargas elétricas entre si, uma etapa importante na síntese de novos materiais.

p "Essa cola é fornecida por um ajuste especial do comportamento dos elétrons, "Mazziotti disse." Você quer que os elétrons tenham seus movimentos correlacionados de uma maneira especial para permitir a transferência eficiente dessa energia de um nanocristal para o outro.

p Alcançar um maior controle de elétrons correlacionados - aqueles cujos movimentos estão ligados uns aos outros - em diferentes nanocristais é a chave para o sucesso do projeto Keck.

p "Se pudermos melhorar isso, então podemos essencialmente desenvolver toda uma paleta de novos materiais que essencialmente deriva do uso de nanocristais como blocos de construção e correlação forte como forma de ajuste, essencialmente, o grau em que ou como eles falam um com o outro, "Mazziotti disse." Queremos uma transferência realmente eficiente de energia e informações entre as diferentes unidades. Anteriormente na área de matrizes nanocristalinas, os nanocristais só se comunicavam muito fracamente. "

p Desenvolvendo uma nova paleta

p Mazziotti e Engel trazem avanços teóricos e espectroscópicos, respectivamente, para a colaboração. O avanço de Mazziotti fornece uma alternativa às abordagens tradicionais para calcular elétrons fortemente correlacionados em moléculas, que escalam exponencialmente com o número de elétrons. Ele resolveu um problema antigo que permite cálculos usando apenas dois dos elétrons de uma molécula, o que diminui drasticamente o custo computacional.

p Seus estudos de bioluminescência de vaga-lumes e outros fenômenos mostraram que, à medida que os sistemas moleculares crescem, fortes correlações entre elétrons tornam-se mais poderosas e abrem novas possibilidades para o comportamento emergente. No contexto de um material semicondutor, como o silício, comportamento emergente é como as nanopartículas individuais efetivamente perdem sua identidade, dando origem a propriedades coletivas em novos materiais.

p "À medida que o tamanho de um sistema molecular aumenta, vemos o surgimento de um novo comportamento físico e a importância de uma forte correlação de elétrons, "Mazziotti disse." A importância de uma correlação forte aumenta dramaticamente com o tamanho do sistema. "

p O avanço no grupo de pesquisa de Engel foi o desenvolvimento de uma técnica chamada de espectroscopia GRadient-Assisted Photon Echo (GRAPE), que empresta ideias de imagens de ressonância magnética, mas é usado para espectroscopia em vez de imagens médicas. Engel já usou o GRAPE para observar o movimento correlacionado e o acoplamento entre os cromóforos, que são moléculas que absorvem luz. Agora ele vai aplicar a técnica aos nanocristais.

p "Esse, pela primeira vez, nos permitirá realmente ver a natureza direta do acoplamento eletrônico que está no cerne desta ideia de novos conceitos de ligação em átomos de designer, "Engel disse." Seremos capazes de fornecer a evidência experimental que irá combinar a teoria que David está desenvolvendo com as novas estruturas que Dmitri está construindo. "