Nova teoria abre caminho para substituir material das telas sensíveis ao toque

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/07/2021

Amostras de óxidos de estrôncio e vanádio de espessura crescente - a teoria atual não consegue explicar sua transparência.
[Imagem: ICMAB-CSIC]

Óxidos metálicos

As telas sensíveis ao toque parecem ser de vidro, mas seu material básico é um óxido metálico, conhecido como ITO, sigla em inglês para óxido de índio-estanho.

Metais são opacos, mas alguns óxidos metálicos - como o ITO - são transparentes, embora os cientistas ainda não entendam realmente a razão para isso.

Deixe isso de lado um pouco e veja outro aspecto do ITO, esse material que viabilizou os celulares, tablets e muitos outros aparelhos eletrônicos e que também está presente nos LEDs e nos painéis solares: O índio é um metal muito raro, tanto que, no ritmo atual de produção de telas sensíveis ao toque e células fotovoltaicas, estima-se que suas reservas minerais se esgotem até 2050.

Isso mostra a importância de encontrar substitutos para o índio.

Mathieu Mirjolet e seus colegas do Instituto de Ciência dos Materiais de Barcelona estavam trabalhando nisso, quando tiveram uma surpresa: Enquanto estudavam filmes finos de óxidos de estrôncio e vanádio, eles descobriram é que finas camadas desses dois metais são, surpreendentemente, transparentes.

Isso não devia acontecer se as teorias atualmente usadas para explicar a opacidade e transparência dos materiais estivessem corretas e completas.

De posse da evidência cabal - os materiais metálicos estavam em suas mãos e eram transparentes -, não restou à equipe outro caminho senão encontrar uma nova teoria para explicar a transparência.

Por que alguns materiais são transparentes

Primeiro é preciso relembrar como as teorias atuais explicam a transparência. Segundo essas explicações, os materiais em geral são transparentes à luz visível quando os fótons de luz não podem ser absorvidos pelo material, passando por ele sem serem incomodados por interações com os elétrons.

A presença de elétrons (cargas livres) é uma característica fundamental dos metais, que são condutores por natureza. Neles, os elétrons, sob a influência do campo elétrico da luz, são forçados a oscilar, irradiando então luz na mesma frequência que recebem. Isso significa que os metais tendem a brilhar, uma vez que refletem a luz que os atinge. Além disso, isso os torna opacos, uma vez que a luz não passa por eles.

Noutros materiais, por sua vez, os elétrons são mais pesados e não conseguem seguir as oscilações causadas pelo campo elétrico da luz tão rapidamente, o que significa que eles não conseguem refletir essa luz, deixando-a passar pelo material sem interação: o material é então transparente.

Esse papel dos elétrons, conhecido como interação de Coulomb, explica bem o ITO, mas não conseguiu explicar a transparência dos filmes finos de estrôncio e vanádio e seus óxidos.

A boa notícia é que outros óxidos metálicos também poderão apresentar transparência.
[Imagem: ICMAB-CSIC]

Por que alguns materiais são transparentes versão 2.0

A equipe está propondo então um novo modelo explicativo que rompe com o paradigma estabelecido até agora no campo da física da matéria condensada.

Até agora, os físicos aceitavam que as interações de Coulomb entre elétrons governavam as propriedades dos óxidos metálicos. Em vez disso, esta nova teoria propõe um papel crucial para a interação entre os elétrons e a rede cristalina de íons do material.

"Acreditamos que o aumento da massa efetiva dos elétrons se deve ao seu acoplamento com a rede cristalina. Os elétrons dos óxidos de estrôncio e vanádio, e dos óxidos metálicos em geral, movem-se em uma matriz de íons (positivos e negativos). Essa rede se deforma com o elétron em movimento e essa distorção se move com ele. Seria como um elétron 'vestido' com uma distorção da rede movendo-se através do material.

"Esse acoplamento entre o elétron e a rede é chamado de polaron e é mais pesado do que o elétron livre, então a massa efetiva do elétron é maior, o que explicaria a transparência do material à luz visível, uma vez que ele não consegue acompanhar as oscilações do campo elétrico da luz e a deixa passar," detalhou o professor Josep Fontcuberta, coordenador da equipe.

A notícia melhor é que, conforme as teorias se tornam mais amplas e com maior poder explicativo, abrem-se novas fronteiras para lidar com a realidade - neste caso, com os metais e seus óxidos: A equipe não vê porque esse comportamento acoplado dos elétrons com a rede cristalina se restrinja aos óxidos de estrôncio e vanádio, devendo ocorrer em muitos outros materiais, o que abre o caminho para a descoberta de novos substitutos para o ITO.

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