Cientistas de materiais da Universidade de Minnesota descobriram um novo método para criar e controlar com precisão “falhas” microscópicas em materiais ultrafinos. Estas imperfeições internas, formalmente conhecidas como defeitos estendidos, oferecem um caminho promissor para dotar os nanomateriais da próxima geração com propriedades sem precedentes, potencialmente desencadeando avanços significativos na nanotecnologia.
Compreendendo defeitos estendidos
Defeitos estendidos são rupturas na estrutura cristalina de um material que se estendem por uma área relativamente grande – ao contrário dos defeitos pontuais que afetam átomos únicos. Pense em uma estrutura de cristal imaculada como uma grade de blocos de construção perfeitamente organizada; um defeito prolongado é como uma quebra deliberada e cuidadosamente colocada nessa grade. O aspecto único destes defeitos é que eles ocupam um pequeno volume enquanto influenciam significativamente as propriedades do material circundante.
Alcançando um controle sem precedentes
A pesquisa, publicada na Nature Communications, demonstrou a capacidade de projetar regiões dentro do material com densidades desses defeitos estendidos até 1.000 vezes maiores do que em áreas sem padronização. Este nível de controle é crucial porque permite aos pesquisadores adaptar as propriedades dos materiais em zonas específicas.
“Esses defeitos estendidos são interessantes porque abrangem todo o material, mas ocupam um volume muito pequeno”, explica Andre Mkhoyan, professor do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota e autor sênior do estudo. “Ao controlar cuidadosamente essas pequenas características, podemos aproveitar as propriedades do defeito e do material circundante.”
A Técnica: Criação de Defeitos Padronizados
O avanço da equipe reside em uma nova abordagem ao design de materiais. Eles descobriram que, ao criar pequenos padrões indutores de defeitos na superfície antes do crescimento do filme fino, eles poderiam controlar com precisão a densidade e o tipo de defeitos estendidos.
“Descobrimos uma nova maneira de projetar materiais, criando padrões minúsculos e indutores de defeitos na superfície do substrato antes de desenvolver uma película fina sobre ele”, disse Supriya Ghosh, estudante de graduação no Laboratório Mkhoyan e primeira autora do artigo.
Esta técnica permite a criação de materiais com propriedades drasticamente diferentes em diferentes seções. Ao concentrar os defeitos ao longo da espessura do material, os pesquisadores podem gerar novos filmes onde os padrões de tamanho nanométrico são amplamente ditados por esses defeitos. Isso poderia levar a mudanças radicais no comportamento material.
Implicações mais amplas e aplicações futuras
Embora o estudo inicial tenha se concentrado em óxidos de perovskita – uma classe de materiais cada vez mais usada em células solares e outras aplicações – os pesquisadores acreditam que este método é adaptável a vários tipos de materiais finos. Os benefícios potenciais são de longo alcance. Abre um caminho para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que aproveitam as propriedades únicas conferidas por esses defeitos controlados.
A equipe de pesquisa incluiu Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Nerock, Turan Birol e Bharat Jalan, todos do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais, juntamente com Fengdeng Liu do Departamento de Elétrica e Engenharia de Computação.
Em essência, esta pesquisa demonstra que a introdução estratégica de imperfeições pode desbloquear funcionalidades inteiramente novas em nanomateriais, abrindo caminho para uma nova era no design de materiais.
Esta abordagem inovadora à engenharia de materiais poderá revolucionar a nanotecnologia, oferecendo um método preciso e versátil para a criação de materiais com propriedades personalizadas à nanoescala.
