p (Phys.org) —Aplicar apenas a quantidade certa de tensão a uma cadeia de átomos de carbono pode transformá-la de um condutor metálico em um isolante, de acordo com cientistas da Rice University. p Esticando o material conhecido como carbyne - difícil de fazer, cadeia unidimensional de átomos de carbono - em apenas 3 por cento pode começar a mudar suas propriedades de maneiras que os engenheiros podem achar úteis para óptica e eletrônica em nanoescala ativadas mecanicamente.

p A descoberta do físico teórico Boris Yakobson de Rice e seus colegas aparece no jornal American Chemical Society Nano Letras .

p Até recentemente, carbyne existiu principalmente na teoria, embora os experimentalistas tenham feito algum progresso na criação de pequenas amostras do material exigente. A cadeia de carbono seria, teoricamente, o material mais forte de todos os tempos, se alguém pudesse fazer isso de forma confiável.

p Os cálculos do primeiro princípio por Yakobson e seus co-autores, Vasilii Artyukhov, pesquisador de pós-doutorado em arroz, e o estudante de pós-graduação Mingjie Liu, mostram que o alongamento das cadeias de carbono ativa a transição do condutor para o isolador, ampliando o gap do material. Lacunas de banda, quais elétrons livres devem superar para completar um circuito, dar aos materiais as propriedades semicondutoras que tornam a eletrônica moderna possível.

p Em seu trabalho anterior em carbyne, os pesquisadores acreditaram ter visto indícios da transição, mas eles tiveram que cavar mais fundo para descobrir que o alongamento efetivamente transformaria o material em um interruptor.

p Cada átomo de carbono tem quatro elétrons disponíveis para formar ligações covalentes. Em seu estado relaxado, os átomos em uma cadeia de carbyne seriam mais ou menos espaçados igualmente, com dois laços entre eles. Mas os átomos nunca são estáticos, devido à incerteza quântica natural, que Yakobson disse que os impede de cair em uma distorção de Peierls menos estável.

p "Peierls disse que metais unidimensionais são instáveis ​​e devem se tornar semicondutores ou isolantes, "Yakobson disse." Mas não é tão simples, porque existem dois fatores determinantes. "

p 1, a distorção de Peierls, "quer abrir a lacuna que o torna um semicondutor." O outro, chamada vibração de ponto zero (ZPV), "quer manter a uniformidade e o estado do metal."

p Yakobson explicou que o ZPV é uma manifestação da incerteza quântica, que diz que os átomos estão sempre em movimento. "É mais um borrão do que uma vibração, "disse ele." Podemos dizer que carbyne representa o princípio da incerteza em ação, porque quando está relaxado, os laços são constantemente confundidos entre 2-2 e 1-3, até o ponto em que eles saem da média e a corrente permanece metálica. "

p Mas esticar a corrente muda o equilíbrio para ligações alternadas longas e curtas (1-3). Isso abre progressivamente um gap começando em cerca de 3 por cento de tensão, de acordo com os cálculos. A equipe do Rice criou um diagrama de fases para ilustrar a relação do gap entre a deformação e a temperatura.

p Como o carbyne é ligado aos eletrodos também é importante, Artyukhov disse. "Diferentes padrões de conectividade de ligação podem afetar o equilíbrio do estado metálico / dielétrico e mudar o ponto de transição, potencialmente para onde pode não estar mais acessível, "disse ele." Portanto, é preciso ser extremamente cuidadoso ao fazer os contatos. "

p "A estrutura de Carbyne é um enigma, "disse ele." Até este jornal, todos estavam convencidos de que era um triplo, com um vínculo longo, em seguida, um vínculo curto, causado pela instabilidade de Peierls. "Ele disse que a compreensão de que as vibrações quânticas podem extinguir Peierls, juntamente com a descoberta anterior da equipe de que a tensão pode aumentar o gap e tornar o carbyne mais isolante, estimulou o novo estudo.

p "Outros pesquisadores consideraram o papel do ZPV em sistemas Peierls ativos, até a própria carbyne, antes de nós, "Artyukhov disse." No entanto, em todos os estudos anteriores, apenas duas respostas possíveis foram consideradas:ou 'carbyne é semicondutor' ou 'carbyne é metálico, 'e a conclusão, qualquer um, era vista como uma espécie de verdade matemática atemporal, um 'veredicto final' estático. O que percebemos aqui é que você pode usar a tensão para ir dinamicamente de um regime para outro, o que o torna útil em um nível completamente diferente. "

p Yakobson observou que os resultados devem encorajar mais pesquisas sobre a formação de cadeias de carbyne estáveis ​​e podem se aplicar igualmente a outras cadeias unidimensionais sujeitas a distorções de Peierls, incluindo polímeros condutores e materiais de onda de densidade de carga / spin.