p Ilustração de uma nanopartícula de óxido de cobalto 3-D crescendo em uma nanofolha 2-D. Crédito:Haimei Zheng / Berkeley Lab
p Desde sua descoberta em 2004, o grafeno - um material atomicamente fino com incrível resistência e propriedades elétricas - inspirou cientistas em todo o mundo a projetar novos materiais 2-D para atender a uma ampla gama de aplicações, de energia renovável e catalisadores à microeletrônica. p Enquanto as estruturas 2-D se formam naturalmente em materiais como o grafeno, alguns cientistas procuraram fazer materiais 2-D a partir de semicondutores chamados óxidos de metais de transição:compostos compostos de átomos de oxigênio ligados a um metal de transição como o cobalto. Mas enquanto os cientistas sabem há muito tempo como fazer nanopartículas de óxidos de metais de transição, ninguém encontrou uma maneira controlável de transformar essas nanopartículas 3-D em nanofolhas, que são materiais 2-D finos com apenas alguns átomos de espessura.
p Agora, uma equipe de cientistas liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) obteve informações valiosas sobre a "vantagem" natural das nanopartículas de óxido de metal de transição 3-D para o crescimento 2-D. Suas descobertas foram relatadas em
Materiais da Natureza .
p Usando um microscópio eletrônico de transmissão de fase líquida (TEM) na Fundição Molecular do Berkeley Lab para os experimentos, a co-autora Haimei Zheng e sua equipe observaram diretamente o crescimento dinâmico de nanopartículas de óxido de cobalto em uma solução, e sua subsequente transformação em uma nanofolha plana 2-D.
p "Essa transformação 3-D em 2-D é muito parecida com a clara de um ovo espalhando enquanto frita em uma panela, "disse Zheng, um cientista sênior da divisão de ciências de materiais do Berkeley Lab que liderou o estudo.
p Em estudos anteriores, os cientistas presumiram que apenas dois fatores principais - energia em massa do volume das nanopartículas, e a energia de superfície das nanopartículas - conduziria o crescimento das nanopartículas para uma forma 3-D, Zheng explicou.
Nanopartículas de óxido de cobalto em uma solução se transformam em nanofolhas planas 2D; o vídeo é reproduzido 15 vezes mais rápido do que em tempo real. Crescimento 3D para 2D observado usando microscopia eletrônica de transmissão de fase líquida na Fundição Molecular do Berkeley Lab. Crédito:Haimei Zheng / Berkeley Lab p
Nova energia vem à luz
p Mas os cálculos conduzidos pelo co-autor correspondente Lin-Wang Wang revelaram outra energia que havia sido negligenciada anteriormente - a energia de borda. Em uma faceta, nanopartícula retangular, como uma nanopartícula de óxido de metal de transição, a borda de uma faceta também contribui com energia - neste caso, energia positiva - em direção ao crescimento e à forma da nanopartícula. Mas, para que uma nanopartícula de óxido de metal de transição cresça em uma nanofolha 2-D, a energia da superfície deve ser negativa.
p "E é o equilíbrio entre essas duas energias, um negativo e um positivo, que determina a mudança de forma, "Disse Wang. Para nanopartículas menores, a energia de borda positiva vence, o que leva a uma forma 3D compacta. Mas quando as nanopartículas de óxido de cobalto crescem, eles finalmente alcançam um ponto crítico onde a energia negativa da superfície vence, resultando em uma nanofolha 2-D, ele explicou. Wang, um cientista sênior da equipe da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, realizou os cálculos para o estudo em supercomputadores no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab.
p Descobrindo essas vias de crescimento, incluindo a transição 3-D-para-2-D, Zheng acrescentou, oferece novas oportunidades para o design simplificado de novos materiais exóticos a partir de compostos cujas estruturas atômicas irregulares, como óxidos de metal de transição, são mais desafiadores do que o grafeno para sintetizar em dispositivos 2-D de várias camadas.
p Zheng e sua equipe concluíram que o estudo não poderia ter sido possível com um microscópio eletrônico convencional. Usando TEM de fase líquida na Fundição Molecular, os pesquisadores foram capazes de estudar o crescimento de materiais atomicamente finos em solução, encapsulando a amostra líquida em uma célula líquida especialmente projetada. A célula evitou que a amostra colapsasse no alto vácuo do microscópio eletrônico.
p “Seria impossível conhecer tal caminho de crescimento sem esta observação in situ, "disse o primeiro autor Juan Yang, que era um pesquisador de doutorado visitante no Berkeley Lab da Dalian University of Technology of China no momento do estudo. "Esta descoberta pode transformar nosso projeto futuro de materiais com propriedades aprimoradas de superfície para aplicações de catálise e detecção do futuro."
p Esquemático que ilustra o crescimento de nanopartículas 3-D a partir de uma solução, e a transformação de nanopartículas 3-D em nanofolhas 2-D. Crédito:Haimei Zheng / Berkeley Lab
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Próximos passos
p Em seguida, os pesquisadores planejam se concentrar no uso de TEM de células líquidas para cultivar materiais 2-D mais complexos, como heteroestruturas, que são como sanduíches de materiais em camadas com propriedades diferentes.
p "Como um arquiteto que se inspira na maneira como uma antiga sequóia gigante cresceu, os cientistas de materiais são inspirados a projetar estruturas cada vez mais complexas para armazenamento de energia, "disse Zheng, que foi o pioneiro do TEM de células líquidas no Berkeley Lab em 2009. "Mas por que eles crescem assim? Nossa força no Berkeley Lab é que podemos estudá-los no nível atômico e vê-los crescer em tempo real e descobrir os mecanismos que iriam contribuir para o design de melhores materiais. "