Por muitos anos, uma equipe de pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas investigou vários materiais em busca daqueles cujas propriedades elétricas podem torná-los adequados para pequenos, transistores com baixo consumo de energia para alimentar dispositivos eletrônicos de última geração.

Recentemente, eles encontraram um desses materiais, mas não era nada que todos esperassem.

Em artigo publicado online em 10 de março na revista Materiais avançados , Dr. Moon Kim e seus colegas descrevem um material que, quando aquecido a cerca de 450 graus Celsius, transforma-se de um atomicamente fino, folha bidimensional em uma matriz de nanofios unidimensionais, cada um com apenas alguns átomos de largura.

Uma imagem capturada no meio da transformação parece uma pequena bandeira dos Estados Unidos, e com cores falsas adicionadas, é indiscutivelmente a menor imagem do mundo da Velha Glória, Kim disse.

"A transição de fase que observamos, esta nova estrutura, não foi previsto pela teoria, "disse Kim, o Louis Beecherl Jr. Professor ilustre de ciência e engenharia de materiais na UT Dallas.

Como os nanofios são semicondutores, eles podem ser usados ​​como dispositivos de comutação, assim como o silício é usado nos transistores de hoje para ligar e desligar a corrente elétrica em dispositivos eletrônicos.

"Esses nanofios são cerca de 10 vezes menores do que os menores fios de silício, e, se usado em tecnologia futura, resultaria em dispositivos eficientes em termos de energia, "Kim disse. Os principais autores do estudo são Hui Zhu e Qingxiao Wang, alunos de pós-graduação em ciência de materiais e engenharia na Escola de Engenharia e Ciência da Computação Erik Jonsson.

Apenas uma fase?

Quando certos materiais estão sujeitos a mudanças nas condições externas, como temperatura ou pressão, eles podem passar por uma transição de fase. Um exemplo familiar é quando a água líquida é resfriada para formar um sólido (gelo), ou aquecido para formar um gás (vapor).

Para muitos materiais, Contudo, uma transição de fase significa algo um pouco diferente. Conforme a temperatura externa e a pressão mudam, os átomos desses materiais se reorganizam e se redistribuem para formar um material com estrutura e composição diferentes. Essas mudanças podem afetar as propriedades do novo material, por exemplo, como os elétrons se movem através dele. Para cientistas interessados ​​em novas aplicações de materiais, compreender essas transições é fundamental.

Na maioria dos casos, um tipo de gráfico chamado diagrama de fases ajuda os pesquisadores a prever mudanças estruturais e de propriedades em um material quando ele passa por uma transição de fase.

Mas nada previu o que a equipe de Kim observou ao conduzir experimentos em um material chamado ditelureto de molibdênio.

Nanoflags e nanoflores

Usando um microscópio eletrônico de transmissão, os pesquisadores começaram com atomicamente fino, folhas bidimensionais de ditelureto de molibdênio, um material composto de uma camada de átomos de molibdênio e duas camadas de átomos de telúrio. O material pertence a uma classe chamada dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), que se mostram promissores na substituição do silício em transistores.

"Queríamos entender a estabilidade térmica deste material em particular, "Kim disse." Nós pensamos que era um bom candidato para nanoeletrônica de próxima geração. Por curiosidade, partimos para ver se seria estável acima da temperatura ambiente. "

Quando eles aumentaram a temperatura para acima de 450 graus Celsius, duas coisas aconteceram.

"Primeiro, vimos um novo padrão começar a emergir que era esteticamente agradável aos olhos, "Kim disse. Através da superfície da amostra, as linhas repetidas, ou listras, de camadas de ditelureto de molibdênio começaram a se transformar em formas que pareciam pequenas estrelas de seis pontas, ou flores com seis pétalas.

O material estava em transição para hexa-telureto de hexa-molibdênio, uma estrutura unidimensional semelhante a um fio. A seção transversal do novo material é uma estrutura que consiste em seis átomos centrais de molibdênio rodeados por seis átomos de telúrio.

Conforme a transição de fase progredia, parte da amostra ainda era "listras" e parte havia se tornado "estrelas". A equipe achou que o padrão parecia uma bandeira dos Estados Unidos. Eles fizeram uma versão em cor falsa com um campo azul atrás das estrelas e metade das listras coloridas de vermelho, para fazer uma "nanoflag".

Não está nos livros didáticos

"Então, quando examinamos o material mais de perto, descobrimos que a transição que estávamos vendo de 'listras' para 'estrelas' não estava em nenhum dos diagramas de fase, "Kim disse." Normalmente, quando você aquece materiais específicos, você espera ver um tipo diferente de material emergir conforme previsto por um diagrama de fases. Mas neste caso, algo incomum aconteceu - formou uma fase totalmente nova. "

Cada nanofio individual é um semicondutor, o que significa que a corrente elétrica que se move através do fio pode ser ligada e desligada, Kim disse. Quando muitos dos nanofios individuais são agrupados em massa, eles se comportam mais como um metal, que conduz facilmente a corrente.

"Gostaríamos de usar os nanofios um de cada vez porque estamos empurrando o tamanho de um transistor para o menor possível, "Kim disse." Atualmente, o menor tamanho do transistor é cerca de 10 vezes maior do que o nosso nanofio. Cada um dos nossos tem menos de 1 nanômetro de diâmetro, que é essencialmente um fio em escala atômica.

"Antes de colocarmos essa descoberta em prática e fazer um dispositivo real, temos muitos mais estudos para fazer, incluindo a determinação de como separar os nanofios individuais, e superar os desafios técnicos de manufatura e produção em massa, "Kim disse." Mas isso é um começo. "