O que são materiais de van der Waals?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/09/2024

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

Materiais quasiunidimensionais

Os materiais unidimensionais, ou monoatômicos, tornaram-se conhecidos do público graças à descoberta do grafeno, um material com uma única camada de átomos de espessura (átomos de carbono, no caso do grafeno).

Hoje já temos até uma Tabela Periódica Monoatômica, um guia para sintetizar materiais 2D, e também já sabemos que o grafeno era apenas a ponta do icebergue dos materiais unidimensionais.

Mas também ficou claro que o interesse não precisava se resumir aos materiais verdadeiramente 1D; na verdade, existe todo um universo de materiais que não são formados especificamente por uma única camada de átomos, podendo ser formados por moléculas com mais de um átomo de altura ou, ainda mais interessante, resultarem do empilhamento de camadas 1D ou 2D.

Essa categoria é conhecida agora como "materiais de van der Waals", ou materiais quasiunidimensionais (quasi-1D), e se tornou um tópico quente na pesquisa de ciência dos materiais nos últimos anos pelos efeitos que sua estrutura única apresenta, incluindo propriedades elétricas, ópticas e mecânicas incomuns. Eles prometem avanços em computação quântica, nanoeletrônica e outras tecnologias avançadas.

Eles são chamados de materiais "quase 1D" porque, enquanto as moléculas em materiais 1D verdadeiros são cadeias unidas por ligações químicas covalentes, o que mantém os materiais quase 1D coesos são forças intermoleculares conhecidas como forças de Van der Waals, que são extremamente fracas, mas suficientes para que cadeias 1D se organizem em folhas 2D e até 3D.

E isso é bom porque combina as vantagens da capacidade das substâncias 1D de amplificar efeitos quânticos com as vantagens dos materiais de folhas 2D empilháveis. Por exemplo, hoje considera-se que membros dessa família, os Mxenos, são uma aposta melhor do que o grafeno.

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

Substância maravilhosa

Com todo o interesse tecnológico e todas as demonstrações de propriedades inusitadas, esses materiais têm também sua própria maldição no fato de serem tão pequenos: É muito difícil fabricá-los em grandes tamanhos e em grande quantidade.

A esperança vem pelas mãos de Yi Shuang e colegas da Universidade de Tohoku, no Japão, que acabam de desenvolver uma técnica para fabricar um material quasiunidimensional usando uma técnica simples e presente em laboratórios e empresas de todo o mundo.

Para demonstrar a técnica, eles fabricaram uma película fina de telureto de zircônio (ZrTe₅), que é uma das substâncias mais promissoras de sua classe.

O pentatelureto de zircônio atraiu recentemente a atenção devido às suas propriedades como um semimetal de Dirac e Weyl, consideradas capazes de revolucionar toda a tecnologia - nesses materiais, os elétrons se comportam como se tivessem massa zero e, portanto, desfrutam de propriedades ópticas e magnéticas ainda mais exóticas.

"Infelizmente, até agora, devido à dificuldade de fabricação em larga escala de filmes de ZrTe₅, essa substância maravilhosa permaneceu como uma curiosidade de bancada de laboratório," disse Shuang.

A transição amorfo-cristalino deverá ser útil para o estudo de outros materiais quase unidimensionais.
[Imagem: Yi Shuang et al. - 10.1016/j.jmst.2024.05.039]

Deposição física de vapor por pulverização catódica

Os pesquisadores recorreram a um método alternativo para a fabricação de filmes finos: A deposição física de vapor (DFV). Especificamente, eles empregaram uma DFV por pulverização catódica, na qual uma substância alvo é bombardeada por átomos ou íons, resultando em uma ejeção de material daquele alvo em direção a outra substância ou "substrato" - a deposição física de vapor por pulverização catódica é um processo de fabricação largamente utilizado na indústria de semicondutores.

Os pesquisadores usaram um magnetron, um dispositivo que usa energia de radiofrequência para produzir o efeito de pulverização, disparando-o em alvos de zircônio e telúrio ao mesmo tempo. Simples assim, mas o resultado foi o crescimento em larga escala de ZrTe₅ quasi-1D.

Imediatamente após a deposição do ZrTe₅ no substrato, os filmes estavam inicialmente em um estado amorfo, como em um vidro, no qual os átomos não apresentam uma estrutura cristalina definida. No entanto, após o tratamento térmico em uma atmosfera de argônio, eles cristalizaram, levando a uma mudança drástica nas propriedades do material. Essa transição é crucial para obter as características específicas necessárias para as aplicações desejadas do ZrTe₅ quasi-1D.

Uma análise detalhada dessa transformação de estrutura amorfa para cristalina revelou que o mesmo deverá ocorrer nos materiais quasi-1D em geral, e não apenas no ZrTe₅. A equipe agora pretende testar o desempenho do material nas muitas aplicações nas quais se espera que ele tenha um desempenho superior ao dos mateiais atuais.

Este avanço tecnológico em termos de processo produtivo deverá ser crucial para levar os materiais de van der Waals das bancadas de laboratório para as aplicações do mundo real.

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