Materiais bidimensionais (2D) possuem propriedades extraordinárias. Eles geralmente consistem em camadas atômicas com apenas alguns nanômetros de espessura e são particularmente boas na condução de calor e eletricidade, por exemplo. Para o espanto de muitos cientistas, recentemente ficou conhecido que materiais 2D também podem existir com base em certos óxidos metálicos. Esses óxidos são de grande interesse em áreas como aplicações de nanoeletrônica. Uma equipe de pesquisa germano-americana, liderada pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), conseguiu agora prever 28 representantes dessa nova classe de materiais usando métodos baseados em dados.
Há uma diferença substancial entre os materiais 2D convencionais, como o grafeno, e os novos materiais que podem ser sintetizados a partir de óxidos metálicos, como ilmenita e cromita. Estas últimas não formam interações fracas – conhecidas como forças de van der Waals – em sua estrutura cristalina, mas formam ligações iônicas mais fortes que apontam em todas as direções. Por esta razão, apenas alguns experimentos até agora conseguiram separar novos materiais 2D de blocos de materiais 3D. Os resultados do estudo podem agora levar ao sucesso em novas experiências deste tipo. Usando métodos teóricos, os cientistas prevêem quais compostos realmente valem a pena para pesquisas experimentais.

"Com nosso método orientado a dados, construímos as primeiras informações disponíveis dos experimentos iniciais. A partir dessas informações, desenvolvemos protótipos estruturais e os executamos em um enorme banco de dados de materiais como critério de filtro", explica o líder do estudo, Dr. Rico Friedrich do HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "O principal desafio foi descobrir por que esses materiais formam sistemas 2D tão facilmente com óxidos específicos. A partir dessas informações, conseguimos desenvolver um critério de pesquisa generalizado válido e caracterizar sistematicamente os candidatos identificados de acordo com suas propriedades."

Para isso, os pesquisadores aplicaram principalmente o que é conhecido como "teoria do funcional da densidade", um método computacional prático para estruturas eletrônicas que é amplamente utilizado na química quântica e na física da matéria condensada. Eles colaboraram com vários data centers alemães de alto desempenho para as etapas de computação necessárias. Um fator decisivo foi determinar a energia de esfoliação:ela define quanta energia deve ser gasta para remover uma camada 2D da superfície de um material.

Banco de dados de materiais com aproximadamente 3,5 milhões de entradas

O estudo também utilizou o banco de dados de materiais AFLOW (Automatic Flow for Materials Discovery). Está em desenvolvimento há mais de vinte anos pelo Prof. Stefano Curtarolo da Duke University (EUA), que também contribuiu como autor do estudo. O AFLOW é considerado um dos maiores bancos de dados de ciência de materiais e classifica aproximadamente 3,5 milhões de compostos com mais de 700 milhões de propriedades de materiais calculadas.

Juntamente com o software associado, o banco de dados forneceu aos pesquisadores não apenas a composição química de vinte e oito materiais capazes de 2D, mas também permitiu que eles estudassem suas propriedades, que são notáveis ​​em aspectos eletrônicos e magnéticos, bem como topológicos. De acordo com Rico Friedrich, suas estruturas de superfície magnética específicas podem torná-los particularmente atraentes para aplicações spintrônicas, como armazenamento de dados em computadores e smartphones.

"Estou certo de que podemos encontrar materiais 2D adicionais desse tipo", diz o físico de Dresden, lançando um olhar para o futuro. "Com candidatos suficientes, talvez até um banco de dados dedicado possa ser criado inteiramente especializado nesta nova classe de materiais." Os cientistas do HZDR permanecem em contato próximo com colegas de um centro de pesquisa colaborativo relacionado ao assunto (Sonderforschungsbereich) na TU Dresden, bem como com o principal grupo de pesquisa para sintetizar novos sistemas 2D nos Estados Unidos. Juntamente com os dois parceiros, eles planejam prosseguir com o estudo dos compostos mais promissores. + Explorar mais

Progresso e perspectivas em materiais topológicos magnéticos