Você pode carregar um computador inteiro no bolso hoje porque os blocos de construção tecnológicos estão ficando cada vez menores desde a década de 1950. Mas, para criar futuras gerações de eletrônicos – como telefones mais poderosos, células solares mais eficientes ou até computadores quânticos – os cientistas precisarão criar tecnologia inteiramente nova em escalas ínfimas.
Uma área de interesse são os nanocristais. Esses minúsculos cristais podem se agrupar em muitas configurações, mas os cientistas tiveram problemas para descobrir como fazê-los falar uns com os outros.

Um novo estudo apresenta um avanço em fazer nanocristais funcionarem juntos eletronicamente. Publicado em 25 de março na Ciência,  a pesquisa pode abrir as portas para futuros dispositivos com novas habilidades.

"Nós chamamos esses blocos de construção superatômicos, porque eles podem conceder novas habilidades - por exemplo, permitir que as câmeras vejam na faixa do infravermelho", disse o professor da Universidade de Chicago Dmitri Talapin, autor correspondente do artigo. "Mas até agora, tem sido muito difícil montá-los em estruturas e  faça com que conversem entre si. Agora, pela primeira vez, não temos que escolher. Esta é uma melhoria transformadora."

Em seu artigo, os cientistas estabelecem regras de design que devem permitir a criação de muitos tipos diferentes de materiais, disse Josh Portner, Ph.D. estudante de química e um dos primeiros autores do estudo.

Um pequeno problema

Os cientistas podem cultivar nanocristais a partir de muitos materiais diferentes:metais, semicondutores e ímãs produzirão propriedades diferentes. Mas o problema era que sempre que eles tentavam juntar esses nanocristais em matrizes, os novos supercristais cresciam com longos "cabelos" ao redor deles.

Esses cabelos dificultavam o salto de elétrons de um nanocristal para outro. Os elétrons são os mensageiros da comunicação eletrônica; sua capacidade de se mover facilmente é uma parte fundamental de qualquer dispositivo eletrônico.

Os pesquisadores precisavam de um método para reduzir os pelos ao redor de cada nanocristal, para que pudessem embalá-los com mais força e reduzir as lacunas entre eles. “Quando essas lacunas são menores por apenas um fator de três, a probabilidade de os elétrons saltarem é cerca de um bilhão de vezes maior”, disse Talapin, professor de química e engenharia molecular da UChicago e cientista sênior da Ernest DeWitt Burton. Laboratório Nacional de Argonne. "Muda muito fortemente com a distância."

Para raspar os pelos, eles procuraram entender o que estava acontecendo no nível atômico. Para isso, eles precisavam da ajuda de poderosos raios-X no Centro de Materiais em Nanoescala em Argonne e da Fonte de Luz de Radiação Síncrotron de Stanford no Laboratório Nacional de Aceleradores do SLAC, bem como simulações e modelos poderosos da química e da física em jogo. Tudo isso permitiu que eles entendessem o que estava acontecendo na superfície – e encontrassem a chave para aproveitar sua produção.

Parte do processo de crescimento de supercristais é feito em solução – isto é, em líquido. Acontece que à medida que os cristais crescem, eles passam por uma transformação incomum em que as fases gasosa, líquida e sólida coexistem. Ao controlar com precisão a química desse estágio, eles poderiam criar cristais com exteriores mais duros e finos que poderiam ser agrupados muito mais de perto. "Compreender o comportamento das fases foi um grande salto para nós", disse Portner.

A gama completa de aplicações ainda não está clara, mas os cientistas podem pensar em várias áreas em que a técnica pode levar. “Por exemplo, talvez cada cristal possa ser um qubit em um computador quântico; acoplar qubits em matrizes é um dos desafios fundamentais da tecnologia quântica no momento”, disse Talapin.

Portner também está interessado em explorar o estado intermediário incomum da matéria visto durante o crescimento supercristal:"A coexistência de fases triplas como essa é rara o suficiente para ser intrigante pensar em como aproveitar essa química e construir novos materiais".

O estudo incluiu cientistas da Universidade de Chicago, Technische Universität Dresden, Northwestern University, Arizona State University, SLAC, Lawrence Berkeley National Laboratory e da University of California, Berkeley. + Explorar mais

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