Cientistas da Universidade de Bath deram um passo importante no sentido de compreender a interação entre camadas de materiais atomicamente finos dispostos em pilhas. Eles esperam que sua pesquisa acelere a descoberta de novos, materiais artificiais, levando ao design de componentes eletrônicos que são muito menores e mais eficientes do que qualquer coisa conhecida hoje.

Menor é sempre melhor no mundo dos circuitos eletrônicos, mas há um limite para o quanto você pode encolher um componente de silício sem que ele superaqueça e se desintegre, e estamos perto de alcançá-lo. Os pesquisadores estão investigando um grupo de materiais atomicamente finos que podem ser montados em pilhas. As propriedades de qualquer material final dependem da escolha das matérias-primas e do ângulo em que uma camada é disposta sobre a outra.

Dr. Marcin Mucha-Kruczynski que liderou a pesquisa do Departamento de Física, disse:"Encontramos uma maneira de determinar com que força os átomos em diferentes camadas de uma pilha estão acoplados uns aos outros, e demonstramos a aplicação de nossa ideia a uma estrutura feita de camadas de grafeno. "

A pesquisa de Bath, publicado em Nature Communications , baseia-se em trabalhos anteriores com grafeno - um cristal caracterizado por folhas finas de átomos de carbono dispostos em forma de colmeia. Em 2018, cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) descobriram que, quando duas camadas de grafeno são empilhadas e, em seguida, torcidas uma em relação à outra pelo ângulo "mágico" de 1,1 °, eles produzem um material com propriedades supercondutoras. Esta foi a primeira vez que os cientistas criaram um material supercondutor feito exclusivamente de carbono. Contudo, essas propriedades desapareceram com a menor mudança de ângulo entre as duas camadas de grafeno.

Desde a descoberta do MIT, cientistas de todo o mundo têm tentado aplicar esse fenômeno de 'empilhamento e torção' a ​​outros materiais ultrafinos, colocar juntas duas ou mais estruturas atomicamente diferentes na esperança de formar materiais inteiramente novos com qualidades especiais.

"Na natureza, você não consegue encontrar materiais onde cada camada atômica é diferente, "disse o Dr. Mucha-Kruczynski." Além do mais, normalmente, dois materiais só podem ser colocados juntos de uma maneira específica porque ligações químicas precisam se formar entre as camadas. Mas para materiais como o grafeno, apenas as ligações químicas entre átomos no mesmo plano são fortes. As forças entre os planos - conhecidas como interações de van der Waals - são fracas, e isso permite que camadas de material sejam torcidas umas em relação às outras. "

O desafio para os cientistas agora é tornar o processo de descoberta de novos, materiais em camadas tão eficientes quanto possível. Ao encontrar uma fórmula que lhes permite prever o resultado quando dois ou mais materiais são empilhados, eles serão capazes de agilizar enormemente sua pesquisa.

É nesta área que o Dr. Mucha-Kruczynski e seus colaboradores da Universidade de Oxford, A Universidade de Pequim e o Síncrotron ELETTRA da Itália esperam fazer a diferença.

"O número de combinações de materiais e o número de ângulos em que eles podem ser torcidos é muito grande para experimentar em laboratório, então o que podemos prever é importante, "disse o Dr. Mucha-Kruczynski.

Os pesquisadores mostraram que a interação entre duas camadas pode ser determinada estudando uma estrutura de três camadas, onde duas camadas são montadas como você pode encontrar na natureza, enquanto o terceiro é torcido. Eles usaram espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido - um processo no qual a luz poderosa ejeta elétrons da amostra para que a energia e o momento dos elétrons possam ser medidos, fornecendo, assim, uma visão sobre as propriedades do material - para determinar com que força dois átomos de carbono a uma determinada distância um do outro estão acoplados. Eles também demonstraram que seu resultado pode ser usado para prever propriedades de outras pilhas feitas das mesmas camadas, mesmo que as torções entre as camadas sejam diferentes.

A lista de materiais atomicamente finos conhecidos como o grafeno está crescendo o tempo todo. Já inclui dezenas de entradas exibindo uma vasta gama de propriedades, do isolamento à supercondutividade, transparência à atividade óptica, fragilidade à flexibilidade. A última descoberta fornece um método para determinar experimentalmente a interação entre as camadas de qualquer um desses materiais. Isso é essencial para prever as propriedades de pilhas mais complicadas e para o design eficiente de novos dispositivos.

O Dr. Mucha-Kruczynski acredita que pode levar 10 anos antes que novos materiais empilhados e torcidos encontrem uma forma prática, aplicação diária. "Demorou uma década para o grafeno passar do laboratório para algo útil no sentido usual, então com um toque de otimismo, Espero que um cronograma semelhante se aplique a novos materiais, " ele disse.

Com base nos resultados de seu último estudo, Dr. Mucha-Kruczynski e sua equipe estão agora se concentrando em pilhas torcidas feitas de camadas de dichalcogenetos de metais de transição (um grande grupo de materiais com dois tipos muito diferentes de átomos - um metal e um calcogênio, como enxofre). Algumas dessas pilhas mostraram um comportamento eletrônico fascinante que os cientistas ainda não são capazes de explicar.

"Porque estamos lidando com dois materiais radicalmente diferentes, estudar essas pilhas é complicado, "explicou o Dr. Mucha-Kruczynski." No entanto, temos esperança de que, com o tempo, seremos capazes de prever as propriedades de várias pilhas, e projetar novos materiais multifuncionais. "