Magnético com uma pitada de hidrogênio:equipe de pesquisa desenvolve nova ideia para melhorar as propriedades de materiais ultrafinos
Resumo gráfico. Crédito:Nano Letras (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04777 Materiais magnéticos bidimensionais constituídos por uma ou algumas camadas atômicas só recentemente se tornaram conhecidos e prometem aplicações interessantes, por exemplo, para a eletrônica do futuro. Até agora, entretanto, não foi possível controlar suficientemente bem os estados magnéticos desses materiais.
Uma equipe de pesquisa teuto-americana liderada pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e pela Universidade de Tecnologia de Dresden (TUD) apresenta, na revista Nano Letters , uma ideia inovadora que poderia superar essa deficiência – permitindo que a camada 2D reaja com o hidrogênio.
Os materiais 2D são ultrafinos, em alguns casos consistindo em uma única camada atômica. Devido às suas propriedades especiais, esta classe ainda jovem de materiais oferece perspectivas interessantes para spintrônica e armazenamento de dados. Em 2017, especialistas descobriram uma nova variante – materiais 2D que são magnéticos. No entanto, até agora tem sido difícil alternar entre dois estados magnéticos nestes sistemas - um pré-requisito para a construção de novos tipos de componentes eletrônicos - por meio de influências químicas direcionadas.
Para superar esse problema, uma equipe de pesquisa do HZDR e do TUD, liderada pelo líder do grupo de pesquisa júnior, Rico Friedrich, concentrou-se em um grupo especial de materiais 2D:camadas obtidas de cristais nas quais existem ligações químicas relativamente fortes:as chamadas não-van. materiais 2D de der Waals.
Vinte anos atrás, Konstantin Novoselov e Andre Geim, vencedores do Prêmio Nobel de Física, conseguiram pela primeira vez produzir um material 2D de maneira direcionada. Usando fita adesiva, eles retiraram uma fina camada de um cristal de grafite, isolando assim o carbono de camada única, o chamado grafeno. O truque simples funcionou porque as camadas individuais de grafite são apenas fracamente ligadas quimicamente. Aliás, é exatamente isso que permite desenhar linhas no papel com um lápis.
"Somente nos últimos anos foi possível separar camadas individuais de cristais usando processos de base líquida, nos quais as camadas estão muito mais fortemente ligadas do que no grafite", explica Rico Friedrich, chefe do grupo de pesquisa júnior "DRESDEN-concept". Automático.
“Os materiais 2D resultantes são muito mais quimicamente ativos que o grafeno, por exemplo.” A razão:estas camadas têm ligações químicas insaturadas na sua superfície e, portanto, uma forte tendência para se ligarem a outras substâncias.
Transformando 35 em 4
Friedrich e sua equipe tiveram a seguinte ideia:se a superfície reativa desses materiais 2D fosse feita para reagir com o hidrogênio, deveria ser possível influenciar especificamente as propriedades magnéticas das camadas finas. No entanto, não estava claro quais dos sistemas 2D eram particularmente adequados para isso.
Para responder a esta pergunta, os especialistas vasculharam seu banco de dados previamente desenvolvido de 35 novos materiais 2D e realizaram cálculos detalhados e extensos usando a teoria do funcional da densidade.
O desafio era garantir a estabilidade dos sistemas passivados com hidrogênio nos aspectos energéticos, dinâmicos e térmicos e determinar o estado magnético correto – tarefa que só poderia ser realizada com o apoio de diversos centros de computação de alto desempenho.
Quando o trabalho árduo foi concluído, restaram quatro materiais 2D promissores. O grupo examinou-os mais de perto mais uma vez. “No final, conseguimos identificar três candidatos que poderiam ser ativados magneticamente pela passivação do hidrogênio”, relata Friedrich. Um material chamado titanato de cádmio (CdTiO3 ) provou ser particularmente notável – torna-se ferromagnético, ou seja, um ímã permanente, através da influência do hidrogênio.
Os três candidatos tratados com hidrogénio deverão ser fáceis de controlar magneticamente e poderão, portanto, ser adequados para novos tipos de componentes electrónicos. Como essas camadas são extremamente finas, elas podem ser facilmente integradas em componentes planos de dispositivos – um aspecto importante para aplicações potenciais.
Os experimentos já estão em andamento
“O próximo passo é confirmar experimentalmente nossas descobertas teóricas”, diz Rico Friedrich. "E várias equipes de pesquisa já estão tentando fazer isso, por exemplo, na Universidade de Kassel e no Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais em Dresden." Mas também na HZDR e na TUD a investigação em materiais 2D continua:entre outras coisas, Friedrich e a sua equipa estão a trabalhar em novos tipos de materiais 2D que poderão ser relevantes para a conversão e armazenamento de energia a longo prazo.
Um foco está na possível divisão da água em oxigênio e hidrogênio. O hidrogénio verde obtido desta forma poderia então ser utilizado, por exemplo, como meio de armazenamento de energia em alturas em que há pouca energia solar e eólica disponível.
