Novo método permite a síntese de centenas de novos materiais 2D

Jie Zhou, professor assistente da Universidade de Linköping. Crédito:Olov Planthaber

Materiais que são incrivelmente finos, com apenas alguns átomos de espessura, exibem propriedades únicas que os tornam atraentes para armazenamento de energia, catálise e purificação de água. Pesquisadores da Universidade de Linköping, na Suécia, desenvolveram agora um método que permite a síntese de centenas de novos materiais 2D. O estudo foi publicado na revista Science .

Desde a descoberta do grafeno, o campo de pesquisa em materiais extremamente finos, os chamados materiais 2D, aumentou exponencialmente. A razão é que os materiais 2D possuem uma grande área superficial em relação ao seu volume ou peso. Isto dá origem a uma série de fenômenos físicos e propriedades distintas, como boa condutividade, alta resistência ou resistência ao calor, tornando os materiais 2D de interesse tanto em pesquisas fundamentais quanto em aplicações.

"Em um filme com apenas um milímetro de espessura, pode haver milhões de camadas do material. Entre as camadas pode haver muitas reações químicas e graças a isso, materiais 2D podem ser usados para armazenamento de energia ou para geração de combustíveis, para exemplo", diz Johanna Rosén, professora de física de materiais na Universidade de Linköping.

A maior família de materiais 2D é chamada MXenes. MXenes são criados a partir de um material original tridimensional denominado fase MAX. Consiste em três elementos diferentes:M é um metal de transição, A é um elemento (do grupo A) e X é carbono ou nitrogênio. Ao remover o elemento A com ácidos (esfoliação), é criado um material bidimensional. Até agora, MXenes foi a única família de materiais criada desta forma.

Jonas Björk, professor associado da Universidade de Linköping. Crédito:Thor Balkhed

Os pesquisadores de Linköping introduziram um método teórico para prever outros materiais tridimensionais que podem ser adequados para conversão em materiais 2D. Eles também provaram que o modelo teórico é consistente com a realidade.

Para ter sucesso, os pesquisadores usaram um processo de três etapas. Na primeira etapa, eles desenvolveram um modelo teórico para prever quais materiais originais seriam adequados. Usando cálculos em grande escala no National Supercomputer Center, os pesquisadores conseguiram identificar 119 materiais 3D promissores em um banco de dados e uma seleção composta por 66.643 materiais.

O próximo passo foi tentar criar o material em laboratório.

"De 119 materiais possíveis, estudamos quais tinham a estabilidade química necessária e quais eram os melhores candidatos. Primeiro, tivemos que sintetizar o material 3D, o que já era um desafio. Por fim, tínhamos uma amostra de alta qualidade onde poderíamos esfoliar e gravar camadas de átomos específicos usando ácido fluorídrico", diz Jie Zhou, professor assistente do Departamento de Física, Química e Biologia.

Johanna Rosén, professora da Universidade de Linköping. Crédito:Anna Nilsen

Os pesquisadores removeram o ítrio (Y) do material original YRu₂ Si₂ , que resultou na formação de Ru₂ bidimensional Si_x Ó_você .

Mas para confirmar o sucesso no laboratório, é necessária a verificação – passo três. Os pesquisadores usaram o microscópio eletrônico de transmissão de varredura Arwen, da Universidade de Linköping. Ele pode examinar materiais e suas estruturas no nível atômico. Em Arwen também é possível investigar de quais átomos um material é composto por meio de espectroscopia.

“Conseguimos confirmar que nosso modelo teórico funcionou bem e que o material resultante consistia nos átomos corretos. Após a esfoliação, as imagens do material pareciam páginas de um livro. expandindo o conceito de esfoliação química para mais famílias de materiais do que MXenes", diz Jonas Björk, professor associado da divisão de design de materiais.

A descoberta dos pesquisadores significa que muito mais materiais 2D com propriedades únicas estão ao nosso alcance. Estes, por sua vez, podem estabelecer as bases para uma infinidade de aplicações tecnológicas. O próximo passo para os pesquisadores é explorar mais materiais precursores potenciais e ampliar os experimentos. Rosén acredita que as aplicações futuras são quase infinitas.

"Em geral, os materiais 2D têm mostrado um grande potencial para um enorme número de aplicações. Você pode imaginar a captura de dióxido de carbono ou a purificação de água, por exemplo. Agora trata-se de ampliar a síntese e fazê-la de forma sustentável", diz Rosén.

Mais informações: Jonas Björk et al, Materiais bidimensionais por cálculos em larga escala e esfoliação química de sólidos em camadas, Ciência (2024). DOI:10.1126/science.adj6556. www.science.org/doi/10.1126/science.adj6556
Informações do diário: Ciência

Fornecido pela Universidade de Linköping

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