Quando um mágico de repente puxa uma toalha de mesa de uma mesa cheia de pratos e copos, há um momento de suspense enquanto o público se pergunta se o palco logo estará cheio de cacos de vidro. Até agora, um dilema análogo havia enfrentado cientistas que trabalhavam com bolhas elétricas especiais para criar a próxima geração de dispositivos microeletrônicos flexíveis e de armazenamento de energia.
Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram uma nova maneira de fazer uma versão em escala atômica do truque da toalha de mesa, descascando filmes finos de heteroestrutura contendo bolhas elétricas de um material subjacente ou substrato específico, mantendo-as totalmente intacto. A descoberta pode nos aproximar um pouco mais de uma série de aplicativos que dependem dessas estruturas incomuns e frágeis.

"Você pode pensar nisso como tentar remover uma casa de sua fundação. Normalmente, você pensaria que a casa iria desmoronar, mas descobrimos que ela manteve todas as suas propriedades", disse Saidur Bakaul, cientista de materiais da Argonne.

“As bolhas são muito frágeis e inicialmente precisam de materiais subjacentes específicos, chamados substratos, e condições específicas para crescer filmes com elas”, disse o cientista de materiais da Argonne Saidur Bakaul. "Existem muitos materiais de nosso interesse para os quais essas bolhas podem ser extremamente úteis, como plásticos. No entanto, não conseguimos cultivá-los diretamente nesses materiais. Nossa pesquisa é o passo inicial para tornar as bolhas possíveis lá."

As bolhas elétricas são encontradas em uma estrutura ultrafina de três camadas com propriedades elétricas alternadas:ferroelétricas, depois dielétricas e novamente ferroelétricas. As bolhas nesta estrutura de multicamadas são feitas de dipolos especialmente ordenados, ou cargas elétricas geminadas. A orientação desses dipolos é baseada na tensão local no material e nas cargas na superfície que fazem com que os dipolos procurem seu estado de energia mais baixo relativo. Eventualmente, as bolhas elétricas (domínios de bolhas) se formam, mas somente quando certas condições são atendidas. Eles também são facilmente distorcidos mesmo por pequenas forças.

No experimento, os colegas de Bakaul na Universidade de New South Wales primeiro cultivaram as bolhas em um filme de heteroestrutura ultrafina em um substrato de titanato de estrôncio – um dos materiais mais fáceis para criá-las. Então, Bakaul enfrentou o desafio de remover a heteroestrutura do substrato enquanto retinha as bolhas. "Você pode pensar nisso como tentar remover uma casa de sua fundação", disse ele. "Normalmente, você pensaria que a casa iria desmoronar, mas descobrimos que ela manteve todas as suas propriedades."

Os domínios de bolha são minúsculos. Eles têm apenas cerca de 4 nanômetros de raio – tão largos quanto uma fita de DNA humano. Portanto, eles são difíceis de ver. Na divisão de Ciência de Materiais da Argonne, técnicas avançadas de microscopia de varredura por sonda com análise de transformada de Fourier permitem que os cientistas não apenas as vejam, mas também quantifiquem suas propriedades nos filmes independentes.

Para estabelecer que os domínios das bolhas permaneceram intactos, Bakaul mediu suas propriedades eletrônicas (capacitância) e piezoelétricas por meio de duas técnicas de microscopia:microscopia de impedância de micro-ondas de varredura e microscopia de força de piezoresposta. Se as bolhas tivessem se desintegrado, a capacitância teria mudado sob uma tensão aplicada, mas Bakaul viu que ela permaneceu relativamente estável até uma tensão bastante alta.

Esses experimentos validaram estimativas numéricas de capacitância obtidas a partir de análises teóricas que Bakaul e seu aluno desenvolveram combinando simulações atomísticas com teoria de circuitos. "A combinação de experimento e simulação provou conclusivamente que essas bolhas são capazes de viver mesmo quando removidas do substrato original. Isso era algo que esperávamos alcançar há muito tempo", disse Bakaul.

Quando as bolhas foram removidas, o filme de heteroestrutura - que anteriormente estava plano como uma toalha de mesa - de repente assumiu uma aparência ondulada. Embora Bakaul tenha notado que muitos podem supor que essa mudança prejudicaria as propriedades das bolhas, ele descobriu que as bolhas estavam realmente protegidas por uma mudança na tensão interna dos materiais. Simulações atômicas feitas por colegas de Bakaul na Universidade de Arkansas sugeriram que a energia elástica nas interfaces livres é a origem da formação de ondulação.

O resultado é emocionante, segundo Bakaul, porque essas bolhas têm propriedades elétricas e mecânicas incomuns e intrigantes. "Bolhas ferroelétricas são objetos em nanoescala recém-descobertos", disse ele. "Há um consenso na comunidade de que eles podem ter muitas aplicações. Por exemplo, a transformação dessas bolhas resulta em uma resposta eletromecânica incomumente alta, que pode ter aplicações em uma ampla gama de dispositivos em microeletrônica e aplicações de energia."

Embora seja a física e não a mágica que criou um novo caminho potencial para a integração dessas bolhas, Bakaul indicou que novas tecnologias baseadas nelas podem ter um impacto transformador. “Quer estejamos discutindo coletores de energia ou supercomputadores, essas bolhas podem fazer uma grande diferença para muitos materiais e aplicações diferentes”, disse ele.

Um artigo baseado na pesquisa foi publicado na edição de 19 de setembro da Advanced Materials. + Explorar mais

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