p Uma equipe de pesquisa liderada pela UCLA produziu em detalhes sem precedentes mapas tridimensionais experimentais dos átomos em um material chamado 2-D - matéria que não é verdadeiramente bidimensional, mas é quase plana porque é organizada em camadas extremamente finas, não mais do que alguns átomos de espessura. p Embora as tecnologias baseadas em materiais 2-D ainda não tenham sido amplamente utilizadas em aplicações comerciais, os materiais têm sido objeto de considerável interesse de pesquisa. No futuro, eles podem ser a base para semicondutores em eletrônicos cada vez menores, componentes quânticos do computador, baterias mais eficientes, ou filtros capazes de extrair água doce da água salgada.

p A promessa dos materiais 2-D vem de certas propriedades que diferem de como os mesmos elementos ou compostos se comportam quando aparecem em grandes quantidades. Essas características únicas são influenciadas por efeitos quânticos - fenômenos que ocorrem em escalas extremamente pequenas que são fundamentalmente diferentes da física clássica vista em escalas maiores. Por exemplo, quando o carbono é organizado em uma camada atomicamente fina para formar o grafeno 2-D, é mais forte do que o aço, conduz o calor melhor do que qualquer outro material conhecido, e tem resistência elétrica quase zero.

p Mas o uso de materiais 2-D em aplicações do mundo real exigiria uma maior compreensão de suas propriedades, e a capacidade de controlar essas propriedades. O novo estudo, que foi publicado em Materiais da Natureza , poderia ser um passo adiante nesse esforço.

p Os pesquisadores mostraram que seus mapas 3-D da estrutura atômica do material são precisos na escala do picômetro - medidos em um trilionésimo de metro. Eles usaram suas medições para quantificar defeitos no material 2-D, o que pode afetar suas propriedades eletrônicas, bem como para avaliar com precisão essas propriedades eletrônicas.

p "O que é único nesta pesquisa é que determinamos as coordenadas de átomos individuais em três dimensões sem usar nenhum modelo pré-existente, "disse o autor correspondente Jianwei" John "Miao, um professor de física e astronomia da UCLA. "E nosso método pode ser usado para todos os tipos de materiais 2-D."

p Miao é vice-diretor do Centro de Ciência e Tecnologia da Fundação Nacional de Ciência STROBE e membro do California NanoSystems Institute da UCLA. Seu laboratório da UCLA colaborou no estudo com pesquisadores da Universidade de Harvard, Oak Ridge National Laboratory e Rice University.

p Os pesquisadores examinaram uma única camada de dissulfeto de molibdênio, um material 2-D freqüentemente estudado. A granel, este composto é usado como lubrificante. Como um material 2-D, ele tem propriedades eletrônicas que sugerem que ele poderia ser empregado na eletrônica de semicondutores de próxima geração. As amostras em estudo foram "dopadas" com traços de rênio, um metal que adiciona elétrons sobressalentes ao substituir o molibdênio. Esse tipo de doping é frequentemente usado para produzir componentes para computadores e eletrônicos porque ajuda a facilitar o fluxo de elétrons em dispositivos semicondutores.

p Para analisar o material 2-D, os pesquisadores usaram uma nova tecnologia que desenvolveram com base na microscopia eletrônica de transmissão de varredura, que produz imagens medindo elétrons espalhados por meio de amostras finas. A equipe de Miao desenvolveu uma técnica chamada tomografia de elétrons atômicos de varredura, que produz imagens 3-D capturando uma amostra em vários ângulos conforme ela gira.

p Os cientistas tiveram que evitar um grande desafio para produzir as imagens:materiais 2-D podem ser danificados por exposição excessiva aos elétrons. Então, para cada amostra, os pesquisadores reconstruíram as imagens seção por seção e depois as juntaram para formar uma única imagem 3-D - permitindo que usassem menos varreduras e, portanto, uma dose menor de elétrons do que se tivessem imaginado a amostra inteira de uma vez.

p As duas amostras mediram cada uma 6 nanômetros por 6 nanômetros, e cada uma das seções menores media cerca de 1 nanômetro por 1 nanômetro. (Um nanômetro é um bilionésimo de um metro.)

p As imagens resultantes permitiram aos pesquisadores inspecionar a estrutura 3-D das amostras com uma precisão de 4 picômetros no caso dos átomos de molibdênio - 26 vezes menor que o diâmetro de um átomo de hidrogênio. Esse nível de precisão permitiu-lhes medir ondulações, tensão distorcendo a forma do material, e variações no tamanho das ligações químicas, todas as mudanças causadas pelo rênio adicionado - marcando a medição mais precisa de todas essas características em um material 2-D.

p "Se apenas assumirmos que a introdução do dopante é uma substituição simples, não esperaríamos grandes cepas, "disse Xuezeng Tian, o co-primeiro autor do artigo e um bolsista de pós-doutorado da UCLA. "Mas o que observamos é mais complicado do que os experimentos anteriores mostraram."

p Os cientistas descobriram que as maiores mudanças ocorreram na menor dimensão do material 2-D, sua altura de três átomos. Bastou um único átomo de rênio para introduzir tal distorção local.

p Armado com informações sobre as coordenadas 3D do material, cientistas de Harvard liderados pelo professor Prineha Narang realizaram cálculos de mecânica quântica das propriedades eletrônicas do material.

p "Esses experimentos em escala atômica nos deram uma nova lente sobre como os materiais 2-D se comportam e como devem ser tratados nos cálculos, e podem ser um divisor de águas para novas tecnologias quânticas, "Narang disse.

p Sem acesso ao tipo de medições geradas no estudo, tais cálculos de mecânica quântica convencionalmente têm sido baseados em um sistema de modelo teórico que é esperado a uma temperatura de zero absoluto.

p O estudo indicou que as coordenadas 3-D medidas levaram a cálculos mais precisos das propriedades eletrônicas do material 2-D.

p "Nosso trabalho poderia transformar cálculos de mecânica quântica usando coordenadas atômicas 3-D experimentais como entrada direta, "disse o pós-doutorado da UCLA Dennis Kim, um co-primeiro autor do estudo. "Essa abordagem deve permitir que os engenheiros de material façam uma previsão melhor e descubram novos dados físicos, propriedades químicas e eletrônicas de materiais 2-D no nível de um único átomo. "