p O que poderíamos fazer com estruturas em camadas com as camadas certas? Quais seriam as propriedades dos materiais se pudéssemos realmente organizar os átomos da maneira que os queremos? p O curioso físico americano Richard Feynman fez essas perguntas em sua palestra marcante de 1959, Há muito espaço no fundo. Ele fervilhava de ideias profundas sobre "manipular e controlar as coisas na escala atômica", usando a mecânica quântica.

p Rebuscado na época, agora, a manipulação de camadas de átomos é uma importante área de pesquisa. Para realizar a visão de Feynman, pesquisadores da IBM e do Bell Labs nos Estados Unidos tiveram que conceber uma nova abordagem para construir materiais camada por camada:epitaxia de feixe molecular ou MBE.

p Isso pode ser comparado à pintura em spray com átomos. Você começa vaporizando materiais de origem ultra-pura, como o gálio, alumínio ou índio, e combiná-los com arsênico ou fósforo. Os átomos vaporizados voam através de uma câmara de vácuo em direção a uma camada de base feita de materiais semelhantes. Os átomos aderem a ele e lentamente formam um cristal, uma camada atômica de cada vez. O ultra-alto vácuo garante que as impurezas sejam mínimas.

p Arquitetos atômicos

p Embora o processo seja relativamente lento - normalmente apenas algumas camadas atômicas por minuto - a precisão é notável. Ele permite que os técnicos empilhem diferentes materiais semicondutores uns sobre os outros para criar cristais conhecidos como heteroestruturas, que pode ter propriedades extremamente úteis. Empilhando alternadamente camadas de arsenieto de alumínio e arsenieto de gálio, por exemplo, você poderia produzir um material extremamente bom para armazenar eletricidade.

p Depois que essa técnica foi aperfeiçoada nos anos 1990 e 2000, os cientistas foram capazes de controlar o número de elétrons e suas energias em um cristal específico. E uma vez que a luz então interage com esses elétrons, ter mais controle sobre o comportamento do elétron significa que você também ganha mais controle de como eles são estimulados pela luz.

p Heteroestruturas levaram a muitas novas descobertas, particularmente em relação ao comportamento quântico de partículas, como elétrons dentro delas. O Prêmio Nobel de Física foi concedido cinco vezes distintas (1973, 1985, 1998, 2000, e 2014), e os materiais resultantes revolucionaram a civilização.

p Heteroestruturas semicondutoras permitem células solares, LEDs, lasers e transistores ultra-rápidos. Mesmo a internet seria de outra forma impossível:os lasers que enviam os pulsos de luz que codificam os bits de informação online são feitos de heteroestruturas, assim como os fotodetectores que medem esses pulsos de luz e decodificam as informações.

p Existem restrições, Contudo. O tamanho atômico, o espaçamento e a disposição dessas heteroestruturas não podem ser muito diferentes entre as camadas sem que surjam defeitos. Isso limita as possíveis combinações de materiais e o potencial de criar livremente as propriedades eletrônicas e ópticas.

p Também, os cristais consistem naturalmente em átomos que formam ligações em todas as três direções. Isso significa que sempre há átomos insatisfeitos com ligações "pendentes" nas bordas. Impurezas estranhas buscam essas ligações e criam defeitos que podem destruir outras propriedades. Isso se torna especialmente importante com cristais menores, impedindo-os de serem integrados em toda a sua extensão em transistores modernos, lasers e assim por diante.

p Insira os cristais 2-D

p O máximo em folhas de materiais ultrafinas é uma única camada de átomos. Felizmente, a natureza criou esses "cristais bidimensionais". O mais famoso é o grafeno, que são apenas átomos de carbono dispostos em um padrão hexagonal.

p O grafeno é mais forte do que o aço e conduz eletricidade melhor do que o cobre. Tem muitos eletrônicos únicos e às vezes exóticos, propriedades ópticas e mecânicas - reconhecidas pelo Prêmio Nobel de Física por sua descoberta em 2010.

p Em um cristal de grafeno perfeito, todos os átomos estão completamente ligados uns aos outros e não há ligações pendentes. É notoriamente possível produzir grafeno descascando camadas de grafite usando fita adesiva:grafite é na verdade muitas camadas de grafeno mantidas juntas pelas forças de Van der Waals, que são muito mais fracos do que as ligações em cada folha constituinte de grafeno.

p Além do grafeno, existem muitos outros cristais 2-D, cada um com propriedades exclusivas. Vários ocorrem naturalmente como gemas no solo, como dissulfeto de molibdnimum, um importante lubrificante industrial. Outros podem ser feitos por epitaxia de feixe molecular, como o nitreto de boro isolante, e cristais da mesma família de dichalcogenetos de metais de transição do dissulfeto de molibdnimum.

p Como o grafeno está para o grafite, os cientistas "descolam" (ou esfoliam) folhas simples 2-D de grandes quantidades desses compostos. A finura inerente dessas folhas significa que elas podem se comportar de maneira bastante diferente das heteroestruturas descritas anteriormente. Diferentes materiais atomicamente finos podem ser isolantes, semicondutor, metálico, magnético ou mesmo supercondutor.

p Os cientistas também são capazes de escolher, coloque e combine esses materiais à vontade para formar novas heteroestruturas, conhecido como heteroestruturas de Van der Waals, com propriedades diferentes para as folhas 2-D. Crucialmente, estes não têm as mesmas limitações que seus primos feitos por epitaxia de feixe molecular. Eles podem compreender camadas de cristais atômicos muito diferentes, permitindo possibilidades sem precedentes e ilimitadas para combinar diferentes materiais.

p Por exemplo, você pode combinar camadas magnéticas com semicondutores e isolantes sem atrair contaminantes como umidade ou óxidos entre as camadas - impossível com heteroestruturas epitaxiais. Isso pode ser usado para criar dispositivos que controlam o magnetismo usando eletricidade, que é a base da memória magnética em discos rígidos.

p Você também pode empilhar duas camadas atômicas idênticas com uma inclinada. Isso cria uma rede chamada de padrão moiré, que fornece um novo grau de liberdade para projetar as propriedades eletrônicas e ópticas. As imagens que estamos usando para demonstrar isso na atual Royal Society Summer Exhibition em Londres dão uma ideia de como isso funciona:

p Embora as heteroestruturas de Van der Waals ainda estejam em sua infância, impressionantes novas físicas e capacidades já estão surgindo. Estes incluem menores, mais leve, versões mais flexíveis e eficientes de células solares, LEDs, transistores e memória magnética.

p No futuro, podemos esperar surpresas nunca antes sonhadas. Um exemplo inicial é a recente descoberta de que quando você torce duas camadas de grafeno em um "ângulo mágico" em relação uma à outra, os elétrons se tornam supercondutores. Esta descoberta, ainda não entendido claramente, poderia desvendar mistérios de 30 anos de como os elétrons podem navegar supercondutores sem perder energia. Pode nos permitir usar supercondutores em temperatura ambiente, com benefícios potenciais para tudo, desde imagens médicas e computadores quânticos até a transmissão de eletricidade a longas distâncias.

p Prever resultados tecnológicos não é fácil, Contudo. Como Herbert Kroemer, que dividiu o Prêmio Nobel em 2000 por desenvolver heteroestruturas semicondutoras usadas em alta velocidade e optoeletrônica, costumam dizer:"As principais aplicações de qualquer tecnologia suficientemente nova e inovadora sempre foram e continuarão a ser aplicações criadas por essa tecnologia." p Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.