Fio metálico mais fino possível
Usando simulações computacionais baseadas em primeiros princípios, cientistas descobriram qual pode ser o fio metálico mais fino possível.
Como bônus adicional, eles identificaram diversos outros materiais unidimensionais com propriedades que podem ser interessantes para diversas aplicações.
Materiais unidimensionais (ou 1-D) são um dos produtos mais intrigantes da nanotecnologia, formados por átomos alinhados na forma de fios ou de tubos. Suas propriedades elétricas, magnéticas e ópticas os tornam excelentes candidatos para aplicações que vão desde a microeletrônica até biossensores e catálise.
Embora os nanotubos de carbono sejam os materiais 1-D que têm recebido a maior atenção até agora, tem sido muito difícil fabricá-los de modo controlado, por isso tem havido uma busca intensa por outros compostos que possam ser usados para criar nanofios e nanotubos com propriedades igualmente interessantes, mas mais fáceis de lidar.
Nesse esforço, Chiara Cignarella e seus colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, voltaram-se para as simulações computadorizadas para decompor em seus elementos básicos diversos cristais tridimensionais conhecidos, procurando aqueles que, com base em suas propriedades estruturais e eletrônicas, poderiam ser facilmente "esfoliados", essencialmente removendo deles uma estrutura 1-D estável - lembre-se que o grafeno, que é 2-D, nasceu como uma folha de grafite esfoliada usando uma fita adesiva.
Encontrando materiais 1-D
Os pesquisadores partiram de uma coleção de mais de 780 mil cristais descritos em bancos de dados, selecionando aqueles mantidos coesos por forças de van der Waals, o tipo de interação fraca que acontece quando os átomos estão próximos o suficiente para que seus elétrons se sobreponham.
A seguir, eles aplicaram um algoritmo que considerava a organização espacial dos átomos de cada cristal, procurando aqueles que incorporavam estruturas semelhantes a fios, e calcularam quanta energia seria necessária para separar essa estrutura 1-D do resto do cristal. "Procurávamos especificamente fios metálicos, que supostamente seriam difíceis de encontrar porque os metais 1-D, em princípio, não deveriam ser suficientemente estáveis para permitir a esfoliação," justificou Cignarella.
O programa gerou uma lista de 800 materiais 1-D, dos quais foram selecionados os 14 melhores candidatos que ainda não foram sintetizados na forma de fios reais, mas que as simulações sugerem como viáveis. Para esse grupo finalista, a equipe então fez os cálculos de suas propriedades com mais detalhes, para verificar quão estáveis eles seriam e qual comportamento eletrônico se deveria esperar deles.
Quatro materiais - dois metais e dois semimetais - destacaram-se como os mais interessantes. Entre eles está o fio metálico CuC2, uma cadeia retilínea composta por sequências de dois átomos de carbono e um átomo de cobre, o nanofio metálico mais fino e estável a 0 K encontrado até agora. "É realmente interessante porque não se esperaria que um fio real de átomos ao longo de uma única linha fosse estável na fase metálica," disse Cignarella.
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Outros nanomateriais interessantes
A equipe também já descobriu que o nanofio metálico poderá ser esfoliado a partir de três cristais diferentes, todos conhecidos em experimentos (NaCuC2, KCuC2 e RbCuC2). Essa esfoliação deverá requerer pouca energia, e a cadeia poderá ser dobrada preservando suas propriedades metálicas, o que torna o nanofio interessante para fabricar componentes para a eletrônica flexível.
Outros resultados interessantes incluem o semimetal Sb2Te2, cujas propriedades permitirão o estudo de um estado exótico da matéria previsto há 50 anos, mas nunca observado, formando materiais chamados isolantes excitônicos, um daqueles raros casos em que fenômenos quânticos se tornam visíveis em escala macroscópica.
Também emergiram o Ag2Se2, outro semimetal, e o TaSe3, um composto conhecido e o único que já foi esfoliado em experimentos na forma de nanofio, e que os cientistas usaram como referência.
O plano agora é agregar experimentalistas à equipe, para sintetizar os diversos materiais e confirmar suas propriedades, além de aprimorar as simulações para ver como os nanofios metálicos e semimetálicos transportam as cargas elétricas e como se comportam em diferentes temperaturas. As duas coisas serão fundamentais para entender como eles funcionariam em aplicações do mundo real.
Bibliografia:
Artigo: Searching for the Thinnest Metallic Wire
Autores: Chiara Cignarella, Davide Campi, Nicola Marzari
Revista: ACS Nano
DOI: 10.1021/acsnano.3c12802
