Os cientistas da Rice University construíram modelos de computador de reações intermediárias para entender por que o sal reduz as temperaturas das reações na síntese de compostos bidimensionais. Acima à esquerda, Moléculas precursoras de oxicloreto de molibdênio sofrem sulfurização na qual átomos de enxofre substituem átomos de oxigênio. Isso prepara o material para formar novos compostos. À direita, os cálculos mostram as densidades de carga das novas moléculas. Crédito:Yakobson Group
Uma pitada de sal pode simplificar a criação de materiais bidimensionais, e graças aos cientistas da Rice University, o motivo está ficando claro.
Boris Yakobson, um professor Rice de ciência dos materiais e nanoengenharia e de química, foi o especialista de referência quando um grupo de laboratórios em Cingapura, China, O Japão e Taiwan usaram o sal para fazer uma "biblioteca" de materiais 2-D que combinavam metais de transição e calcogênios.
Esses compostos podem levar a transistores menores e mais rápidos, fotovoltaica, sensores e catalisadores, de acordo com os pesquisadores.
Por meio de simulações de dinâmica molecular de primeiro princípio e cálculos de energia precisos, Yakobson e seus colegas determinaram que o sal reduz a temperatura na qual alguns elementos interagem em um forno de deposição química de vapor (CVD). Isso torna mais fácil formar camadas com a espessura de um átomo semelhantes ao grafeno, mas com o potencial de personalizar sua composição química para o material da camada específica e, portanto, elétrica, óptico, catalítico e outras propriedades úteis.
A equipe de pesquisa, incluindo Yakobson e Rice, pesquisador de pós-doutorado, Yu Xie e o estudante de graduação Jincheng Lei, relataram seus resultados esta semana em Natureza .
A equipe liderada por Zheng Liu da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura usou sua técnica experiente com CVD para criar 47 compostos de calcogenetos metálicos (que contêm um calcogênio e um metal eletropositivo). A maioria dos novos compostos tinha dois ingredientes, mas alguns eram ligas de três, quatro e até cinco. Muitos dos materiais foram imaginados e até cobiçados, Yakobson disse, mas nunca feito.
No processo CVD, átomos excitados por temperaturas - neste caso, entre 600 e 850 graus Celsius (1, 112 e 1, 562 graus Fahrenheit) - forma um gás e, por fim, se estabelece em um substrato, ligando-se a átomos de química complementar para formar cristais de monocamada.
Os pesquisadores já suspeitavam que o sal poderia facilitar o processo, Yakobson disse. Liu veio até ele para solicitar uma análise de modelo molecular para saber por que o sal tornava mais fácil derreter metais com calcogênios e fazê-los reagir. Isso os ajudaria a saber se poderia funcionar dentro da paleta mais ampla da tabela periódica.
"Eles fizeram um trabalho impressionante para fazer muitos novos materiais e caracterizar cada um deles de forma abrangente, "Yakobson disse." De nossa perspectiva teórica, a novidade neste estudo é que agora temos um melhor entendimento de por que a adição de sal comum diminui o ponto de fusão desses óxidos metálicos e, especialmente, reduz as barreiras de energia dos intermediários no caminho para transformá-los em calcogenetos. "
Seja na forma de sal de mesa comum (cloreto de sódio) ou compostos mais exóticos como o iodeto de potássio, sal foi descoberto para permitir reações químicas, reduzindo a barreira energética que de outra forma impede as moléculas de interagir em qualquer coisa menos do que temperaturas ultra-altas, Yakobson disse.
"Eu chamo isso de 'assalto ao sal, '", disse ele." Isso é importante para a síntese. Primeiro, quando você tenta combinar partículas sólidas, não importa quão pequenos eles sejam, eles ainda têm contato limitado um com o outro. Mas se você derretê-los, com a ajuda de sal, você tem muito contato no nível molecular.
"Segundo, o sal reduz o ponto de sublimação, onde um sólido sofre uma transformação de fase em gás. Isso significa que mais moléculas componentes do material passam para a fase gasosa. Isso é bom para problemas gerais de transporte e contato e ajuda a reação geral. "
The Rice team discovered the process doesn't facilitate the formation of the 2-D-material itself directly so much as it allows for the formation of intermediate oxychlorides. These oxychlorides then lead to the 2-D chalcogenide growth.
Detailing this process required intensive atom-by-atom simulations, Yakobson said. These took weeks of heavy-duty computations of the quantum interactions among as few as about 100 atoms – all to show just 10 picoseconds of a reaction. "We only did four of the compounds because they were so computationally expensive, and the emerging picture was clear enough, " Yakobson said.