Materiais de van der Waals e quase unidimensionais: a revolução da ciência dos materiais

Os materiais de van der Waals têm sido destaque em pesquisas recentes sobre novas tecnologias, especialmente na busca por inovações pós-eletrônicas. Mas o que são, de fato, esses materiais, e por que atraem tanto interesse da comunidade científica?

Os materiais de van der Waals estão na crista da onda das pesquisas sobre tecnologias pós-eletrônica.
[Imagem: Tohoku University]

O que são materiais de van der Waals?

Os materiais de van der Waals pertencem a uma categoria fascinante de substâncias estruturadas por forças intermoleculares conhecidas como forças de Van der Waals, em vez de fortes ligações químicas covalentes. Essas forças são extremamente fracas, mas possuem um papel essencial ao permitir que cadeias unidimensionais (1D) se organizem em camadas bidimensionais (2D) ou até tridimensionais (3D). O grafeno, por exemplo, foi um marco inicial para a exploração de materiais unidimensionais, mas agora sabemos que ele representa apenas a "ponta do iceberg" dessa vasta área.

Materiais quase unidimensionais

Com o desenvolvimento de novas técnicas e descobertas, os cientistas entenderam que a exploração não deveria se limitar apenas aos materiais puramente 1D, mas também aos materiais quase unidimensionais (quasi-1D), que são formados por camadas empilhadas de átomos ou moléculas de mais de um átomo de altura. Esses materiais exibem propriedades mecânicas, ópticas e elétricas excepcionais e estão na linha de frente das pesquisas em computação quântica, nanoeletrônica e outras tecnologias avançadas.

O que diferencia os materiais quasi-1D dos 1D verdadeiros é a coesão dada pelas forças de Van der Waals, o que permite combinações empilháveis que mantêm suas vantagens quânticas, mas com maior flexibilidade e aplicabilidade em larga escala. Esses materiais têm sido vistos como uma evolução mais promissora em comparação com o grafeno, especialmente os Mxenos, uma família inovadora de compostos que está ganhando cada vez mais relevância no campo.

A dificuldade na produção em larga escala

Entretanto, mesmo com seu enorme potencial, a produção em larga escala desses materiais continua sendo um grande desafio. Um dos materiais mais promissores dessa classe é o telureto de zircônio (ZrTe5), conhecido por suas propriedades únicas como um semimetal de Dirac e Weyl. Em materiais desse tipo, os elétrons se comportam como se tivessem massa zero, proporcionando propriedades ópticas e magnéticas que são, até então, inimagináveis. Apesar disso, a dificuldade de produção em larga escala de filmes de ZrTe5 impedia sua transição do ambiente de laboratório para o mundo industrial.

Uma solução promissora: Deposição Física de Vapor por Pulverização Catódica

Agora, uma equipe liderada por Yi Shuang, da Universidade de Tohoku, no Japão, parece ter encontrado uma solução para este entrave. Eles desenvolveram uma técnica eficiente para fabricar um material quasi-1D utilizando um método já amplamente utilizado na indústria de semicondutores, chamado deposição física de vapor (DFV) por pulverização catódica.

Neste processo, um alvo — neste caso, uma combinação de zircônio e telúrio — é bombardeado com átomos ou íons, resultando na ejeção de material que se deposita em um substrato. Ao usar um magnetron, dispositivo que utiliza energia de radiofrequência, eles conseguiram criar filmes finos de ZrTe5 em larga escala. A simplicidade do método permite que seja amplamente aplicado em laboratórios e empresas ao redor do mundo, tornando o processo viável para aplicações industriais.

Estrutura do composto e amostras em macroescala produzidas pela equipe.
[Imagem: Yi Shuang et al. - 10.1016/j.jmst.2024.05.039]

A importância da transição amorfo-cristalino

No entanto, um detalhe crucial da pesquisa foi a descoberta da transição da estrutura amorfa para a estrutura cristalina dos filmes de ZrTe5. Quando recém-depositados no substrato, os filmes estavam em estado amorfo, ou seja, sem uma organização cristalina definida. Mas, após o aquecimento em uma atmosfera de argônio, ocorreu a cristalização, que transformou drasticamente as propriedades do material, permitindo que ele adquirisse as características desejadas para aplicações tecnológicas.

Essa transição de amorfo para cristalino é vista como uma característica geral dos materiais quasi-1D e não apenas do ZrTe5. Com esse avanço, a equipe de Yi Shuang pretende agora testar o desempenho do material em várias áreas, como a computação quântica e a nanoeletrônica, onde se espera que ele supere os materiais convencionais.

Impacto e futuro dos materiais quasi-1D

Essa inovação tecnológica pode ser a chave para finalmente levar os materiais de van der Waals do laboratório para o mundo real, permitindo que avancemos significativamente em áreas de alta tecnologia. O ZrTe5, que já foi uma curiosidade de bancada, está a um passo de se tornar uma realidade em larga escala.

Destaques:

Materiais de van der Waals: Baseados em forças intermoleculares, prometem avanços em tecnologia pós-eletrônica.

Materiais quasiunidimensionais: Formados por camadas empilhadas de átomos, oferecem vantagens ópticas e eletrônicas superiores.

Desafio de produção: A fabricação em grande escala desses materiais sempre foi uma barreira.

Telureto de zircônio (ZrTe5): Um dos materiais quasi-1D mais promissores devido às suas propriedades como semimetal de Dirac e Weyl.

Deposição Física de Vapor por Pulverização Catódica: Método eficiente desenvolvido para produzir filmes finos de ZrTe5 em larga escala.

Transição amorfo-cristalino: Crucial para liberar as propriedades desejadas do material.

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Crédito:

Matéria inspirada em estudos conduzidos pela equipe de Yi Shuang e colaboradores da Universidade de Tohoku, no Japão.

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