Controlar o spin dos elétrons abre cenários futuros para aplicações em eletrônica baseada em spin (spintrônica), por exemplo, no processamento de dados. Também apresenta novas oportunidades para controlar a seletividade e eficiência das reações químicas. Pesquisadores recentemente apresentaram os primeiros sucessos com o exemplo da separação da água para a produção de hidrogênio e oxigênio "verdes". Um projeto conjunto envolvendo grupos de trabalho do Centro de Nanociência Suave da Universidade de Münster (Alemanha) e do Instituto de Química da Universidade de Pittsburgh (Pensilvânia; Prof. David Waldeck) agora tem a tarefa de avançar no desenvolvimento sistemático de spin -materiais catalisadores seletivos.
Para este fim, os pesquisadores relacionam a atividade catalítica de vários materiais inorgânicos polarizadores de spin com medições diretas da seletividade de spin. O foco está em materiais de óxido que foram propositadamente cultivados com uma estrutura quiral. Além disso, os pesquisadores também querem investigar a origem da polarização do spin nesses materiais quirais. Os resultados de um estudo inicial de camadas de óxido de cobre quirais já foram publicados no ACS Nano Diário.

Os resultados em resumo

A equipe de pesquisadores alemães e americanos primeiro examinou catalisadores de óxido quirais – consistindo neste caso de finas camadas de óxido de cobre quirais em uma fina película de ouro. Os dados medidos mostram que a polarização do spin dos elétrons depende de qual dessas camadas os elétrons vêm. A equipe considera dois efeitos responsáveis ​​por isso:o efeito de seletividade de spin induzida por quiralidade (CISS) e o arranjo magnético nas camadas quirais. Os resultados são para ajudar na futura produção de materiais de óxidos catalíticos seletivos de spin, melhorando assim a eficiência das reações químicas.

O exemplo das células de combustível:o spin indesejado do elétron reduz a eficiência

Nas células de combustível, o hidrogênio e o oxigênio reagem entre si e formam água, com energia elétrica sendo liberada no processo. O hidrogênio pode ter sido produzido anteriormente através do processo inverso, quebrando as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio. A energia necessária para isso pode ser fornecida através de energia elétrica de fontes de energia regenerativas ou diretamente através da luz solar, para que, no futuro, o hidrogênio possa servir como fonte de energia em um ciclo de energia projetado para ser CO₂ -neutro.

O que impede qualquer comercialização em larga escala do conceito – por exemplo, em veículos elétricos movidos a células de combustível – é, entre outras coisas, a baixa eficiência. Muita energia tem que ser usada para quebrar as moléculas de água, o que significa que atualmente é mais barato usar essa energia diretamente para recarregar uma bateria de carro. Essa menor eficiência na quebra das moléculas de água é consequência não apenas da alta sobretensão necessária para desenvolver oxigênio no ânodo da célula de eletrólise, mas também da produção de subprodutos indesejados, como peróxido de hidrogênio e oxigênio eletronicamente excitado. Devido à sua alta reatividade, esses subprodutos também podem atacar o material do eletrodo. Ambos os subprodutos ocorrem no chamado estado singleto, no qual os spins dos elétrons envolvidos nas ligações moleculares são alinhados em modo antiparalelo entre si. No produto desejado da reação - oxigênio no estado fundamental eletrônico - isso não ocorre porque ele forma um estado tripleto com spins alinhados em paralelo e, assim, gerar apenas uma direção de spin ajuda a chegar a esse estado desejado de oxigênio.

Nova abordagem:catalisador de óxido produz o spin de elétron desejado

Esta é uma nova abordagem porque envolve os spins dos radicais adsorvidos nas superfícies dos catalisadores, a partir dos quais os subprodutos são formados, sendo alinhados em paralelo. Tal alinhamento paralelo dos spins dos elétrons pode ser alcançado usando um material quiral. Neste caso, a transferência de elétrons através dos eletrodos como consequência do efeito CISS, ou através da mudança estrutural no óxido, pode ser seletiva de spin. Em consequência, a formação de moléculas no estado de singleto indesejado é suprimida e o rendimento de hidrogênio é aumentado.

Embora os pesquisadores tenham demonstrado com sucesso a catálise seletiva de spin, ainda não há uma compreensão completa da origem do efeito CISS. A transmissão seletiva de spin de elétrons através de moléculas helicoidais - e, portanto, também quirais - foi demonstrada. No entanto, estudos mais recentes mostram que a transmissão seletiva de spin também ocorre em materiais quirais inorgânicos e não moleculares. Superfícies inorgânicas de filtragem de spin são mais estáveis, quimicamente, do que camadas moleculares quirais e permitem maiores densidades de corrente no contexto de catálise seletiva de spin.

O estudo atual em detalhes

No estudo agora publicado, o principal autor Paul Möllers, Ph.D. student at Münster University, examined chiral copper oxide films with a thickness of just a few nanometers which had previously been electrochemically deposited in a chiral form onto thin gold substrates by researchers from Pittsburgh. UV laser pulses were used to stimulate photoelectrons from the samples and their mean spin polarization was measured (in a spin polarimeter based on "Mott scattering"). Depending on whether the samples were hit from the oxide-covered front side or from the reverse side, in the process electrons with different energies were emitted from the gold substrate or from the oxide films themselves, in different proportions. By correlating the energy distribution with the spin polarization values measured, the Münster researchers showed that the electrons from both layers are polarized to different extents.

The electrons from the gold substrate are filtered, as regards their spin, by the CISS effect as they pass through the chiral layer. The electrons from the chiral copper oxide display an opposite spin polarization, and in the case of films with a thickness of more than 40 nanometers, there is a preponderance of these copper oxide electrons. Additional measurements carried out by the working group led by Prof. Heiko Wende at the Department of Physics at the University of Duisburg-Essen suggest that this reflects a magnetic arrangement in the chiral layers which is not observed in non-chiral oxide films with the same composition.

In order to follow up this hypothesis, the experimental set-up in Münster will be extended by having the possibility of measuring the spin polarization in electrons depending directly on their energy. Further measurements on chiral copper and cobalt oxide films will enable not only a clear differentiation to be made between both polarization mechanisms, but also chiral inorganic spin-selective catalyst materials to be designed specifically. + Explorar mais

Chirality and chiral-induced spin selectivity