Quando os átomos de carbono se empilham em um cristal tridimensional perfeitamente repetitivo, eles podem formar diamantes preciosos. Disposto de outra maneira, em folhas planas repetitivas, o carbono faz o grafite cinza brilhante encontrado nos lápis. Mas existem outras formas de carbono que são menos compreendidas. O carbono amorfo – geralmente um material preto fuliginoso – não tem estrutura molecular repetitiva, tornando-o difícil de estudar.
Agora, pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago utilizaram uma nova estrutura para entender as propriedades eletrônicas do carbono amorfo. Suas descobertas permitem que os cientistas prevejam melhor como o material conduz eletricidade e absorve a luz, e foram publicados em Proceedings of the National Academy of Sciences .

“Precisamos entender como o carbono desordenado funciona em nível molecular para poder projetar esse material para aplicações como conversão de energia solar”, disse Giulia Galli, professora de engenharia molecular da família Liew e professora de química da Universidade de Chicago. Galli também é cientista sênior no Laboratório Nacional de Argonne, onde é diretora do centro MICCoM.

Durante décadas, os cientistas modelaram a forma como os átomos se movem no carbono amorfo usando as leis da mecânica clássica – o conjunto de equações que descrevem, por exemplo, como um carro acelera ou como uma bola cai no ar. Para alguns átomos pesados ​​da tabela periódica, essas equações clássicas são uma boa aproximação para capturar com precisão muitas das propriedades dos materiais. Mas para muitas formas de carbono, e carbonos amorfos em particular, a equipe liderada por Galli descobriu que usar essas equações clássicas para descrever o movimento dos átomos é insuficiente.

"O carbono amorfo tem muitas propriedades que o tornam valioso para uma série de aplicações, no entanto, modelar e simular suas propriedades no nível fundamental é um desafio", disse o pesquisador de pós-doutorado Arpan Kundu, Ph.D., o primeiro autor do artigo.

Galli passou os últimos trinta anos desenvolvendo e aplicando métodos de mecânica quântica para modelar e simular as propriedades de moléculas e sólidos. Ela originalmente investigou o carbono amorfo no início de sua carreira e recentemente voltou ao desafio com uma nova visão.

Galli, Kundu e o pesquisador de física Yunxiang (Tony) Song realizaram novas simulações das propriedades eletrônicas do carbono amorfo, desta vez integrando princípios quânticos para descrever os movimentos dos elétrons e núcleos dos átomos de carbono. Eles descobriram que usar a mecânica quântica para ambos – em vez da mecânica clássica para os núcleos – é fundamental para prever com precisão as propriedades do carbono amorfo.

Por exemplo, usando seus modelos mecânicos quânticos refinados, a equipe da PME previu uma condutividade elétrica mais alta do que seria esperado.

As descobertas relatadas no PNAS artigo são úteis não apenas para entender o carbono amorfo, mas também outros sólidos amorfos semelhantes, disseram os pesquisadores. Mas eles também apontaram que muito mais trabalho ainda precisa ser feito – materiais de carbono desordenados podem exibir propriedades radicalmente diferentes dependendo de sua densidade, que por sua vez depende do método usado para preparar o material.

“Quando algo está organizado em um cristal, você sabe exatamente qual é sua estrutura, mas uma vez desordenado, pode ser desordenado de muitas maneiras possíveis”, disse Kundu.

A equipe planeja continuar estudando o carbono amorfo e suas potenciais aplicações. + Explorar mais

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