p Uma equipe de pesquisa do Worcester Polytechnic Institute (WPI) desenvolveu um revolucionário, material nanocompósito semicondutor ativado por luz que pode ser usado em uma variedade de aplicações, incluindo atuadores microscópicos e garras para robôs cirúrgicos, micro-espelhos alimentados por luz para sistemas de telecomunicações ópticas, e células solares e fotodetectores mais eficientes. p "Esta é uma nova área da ciência, "disse Balaji Panchapakesan, professor associado de engenharia mecânica no WPI e autor principal de um artigo sobre o novo material publicado em Relatórios Científicos , um jornal de acesso aberto dos editores de Natureza . "Poucos materiais são capazes de converter fótons diretamente em movimento mecânico. Neste artigo, apresentamos o primeiro material semicondutor nanocompósito conhecido por fazer isso. É um material fascinante que também se distingue por sua alta resistência e sua absorção ótica aprimorada quando colocado sob tensão mecânica.

p "Minúsculos garras e atuadores feitos com este material poderiam ser usados ​​em rovers de Marte para capturar partículas finas de poeira." Panchapakesan observou. "Eles poderiam viajar pela corrente sanguínea em minúsculos robôs para capturar células cancerosas ou tirar amostras de tecido minúsculas. O material poderia ser usado para fazer micro-atuadores para espelhos rotativos em sistemas de telecomunicações ópticas; eles operariam estritamente com luz, e não exigiria nenhuma outra fonte de energia. "

p Como outros materiais semicondutores, dissulfeto de molibdênio, o material descrito no Relatórios Científicos artigo ("Resposta mecânica cromática em nanocompósitos baseados em dichalcogeneto de metal de transição em camadas 2-D (TMDs)"), é caracterizada pela maneira como os elétrons são organizados e se movem dentro de seus átomos. Em particular, elétrons em semicondutores são capazes de se mover de um grupo de orbitais externos chamado de banda de valência para outro grupo de orbitais conhecido como banda de condução somente quando adequadamente excitados por uma fonte de energia, como um campo eletromagnético ou os fótons em um feixe de luz. Cruzando a "lacuna de banda, "os elétrons criam um fluxo de eletricidade, que é o principal que torna possíveis os chips de computador e as células solares.

p Quando os elétrons carregados negativamente se movem entre orbitais, eles deixam para trás vazios carregados positivamente, conhecidos como buracos. Um par de um elétron ligado e um buraco de elétron é chamado de exciton.

p Em seus experimentos, Panchapakesan e sua equipe, que incluiu alunos de pós-graduação Vahid Rahneshin e Farhad Khosravi, bem como colegas da Universidade de Louisville e da Universidade de Varsóvia Pasteura, observaram que os orbitais atômicos dos átomos de molibdênio e de enxofre no dissulfeto de molibdênio são arranjados de uma maneira única que permite que os excitons dentro da banda de condução interajam com o que são conhecidos como orbitais p dos átomos de enxofre. Essa "ressonância de excitons" contribui para as fortes ligações sigma que dão ao conjunto bidimensional de átomos do sulfeto de molibdênio sua força extraordinária. A força dessa ressonância também é responsável por um efeito único que pode gerar calor dentro do material. É o calor que dá origem à resposta mecânica cromática (induzida pela luz) do material.

p Para aproveitar o fenômeno posterior, A equipe de Panchapakesan criou filmes finos compostos de apenas uma a três camadas de dissulfeto de molibdênio envolto em camadas de um polímero semelhante à borracha. Eles expuseram esses nanocompósitos a vários comprimentos de onda de luz e descobriram que o calor gerado como resultado da ressonância de excitons fazia com que o polímero se expandisse e se contraísse, dependendo do comprimento de onda da luz usada. Em trabalhos anteriores, A equipe de Panchapakesan aproveitou essa resposta fotomecânica ao fabricar garras minúsculas que abrem e fecham em resposta a pulsos de luz. As garras podem capturar contas de plástico do tamanho de uma única célula humana.

p Em testes posteriores, Panchapakesan e sua equipe descobriram outro comportamento único do composto de dissulfeto de molibdênio que abre a porta para um conjunto diferente de aplicações. Empregando o que é conhecido como engenharia de deformação, eles esticaram o material e descobriram que as tensões mecânicas aumentavam sua capacidade de absorver luz.

p "Isso é algo que não pode ser feito com semicondutores convencionais de película fina, "Panchapakesan disse, "porque quando você os estica, eles vão quebrar prematuramente. Mas com sua resistência material única, dissulfeto de molibdênio pode ser esticado. E sua maior absorção óptica sob tensão o torna um bom candidato para células solares mais eficientes, fotodetectores, e detectores para câmeras térmicas e infravermelhas.

p "A ressonância do excitão, resposta fotomecânica, e o aumento da absorção óptica sob tensão torna este um material extraordinário e um assunto intrigante para uma investigação mais aprofundada, " ele adicionou.