Pesquisadores da Universidade de Linköping, na Suécia, desenvolveram um novo método que pode levar à síntese de centenas de novos materiais 2D, que têm apenas alguns átomos de espessura e exibem propriedades únicas, úteis em diversas aplicações, como armazenamento de energia e purificação de água. Este avanço, baseado em um modelo teórico validado em laboratório, ampliou o potencial de criação de mais materiais 2D além da conhecida família de MXenes, abrindo caminho para diversas aplicações tecnológicas.
Materiais que são incrivelmente finos, com apenas alguns átomos de espessura, exibem propriedades únicas que os tornam atraentes para armazenamento de energia, catálise e purificação de água. Pesquisadores da Universidade de Linköping, na Suécia, desenvolveram agora um método que permite a síntese de centenas de novos materiais 2D. Seu estudo foi publicado na revista Ciência.
Desde a descoberta de grafeno, o campo de pesquisa em materiais extremamente finos, os chamados materiais 2D, aumentou exponencialmente. A razão é que os materiais 2D possuem uma grande área superficial em relação ao seu volume ou peso. Isto dá origem a uma série de fenômenos físicos e propriedades distintas, como boa condutividade, alta resistência ou resistência ao calor, tornando os materiais 2D de interesse tanto em pesquisas fundamentais quanto em aplicações.
Jonas Björk, professor associado da Universidade de Linköping. Crédito: Thor Balkhed
“Em um filme com apenas um milímetro de espessura, pode haver milhões de camadas do material. Entre as camadas podem ocorrer muitas reações químicas e graças a isso, materiais 2D podem ser usados para armazenamento de energia ou para geração de combustíveis, por exemplo”, diz Johanna Rosén, professora de Física de Materiais na Universidade de Linköping.
A família MXenes e novos modelos teóricos
A maior família de materiais 2D é chamada MXenes. MXenes são criados a partir de um material original tridimensional denominado fase MAX. Consiste em três elementos diferentes: M é um metal de transição, A é um elemento (do grupo A) e X é carbono ou nitrogênio. Ao remover o elemento A com ácidos (esfoliação), é criado um material bidimensional. Até agora, MXenes foi a única família de materiais criada desta forma.
Os pesquisadores de Linköping introduziram um método teórico para prever outros materiais tridimensionais que podem ser adequados para conversão em materiais 2D. Eles também provaram que o modelo teórico é consistente com a realidade.
Jie Zhou, professor assistente da Universidade de Linköping. Crédito: Olov Planthaber
Para ter sucesso, os pesquisadores usaram um processo de três etapas. Na primeira etapa, eles desenvolveram um modelo teórico para prever quais materiais originais seriam adequados. Usando cálculos em grande escala no Centro Nacional de Supercomputadores, os pesquisadores conseguiram identificar 119 materiais 3D promissores a partir de um banco de dados e uma seleção composta por 66.643 materiais.
O próximo passo foi tentar criar o material em laboratório.
“De 119 materiais possíveis, estudamos quais tinham a estabilidade química necessária e quais eram os melhores candidatos. Primeiro, tivemos que sintetizar o material 3D, o que já era um desafio. Finalmente, obtivemos uma amostra de alta qualidade onde pudemos esfoliar e gravar átomo camadas usando hidrofluorídrico ácido”, diz Jie Zhou, professor assistente do Departamento de Física, Química e Biologia.
Os pesquisadores removeram o ítrio (Y) do material original YRu2E2que resultou na formação de Ru bidimensional2ExÓsim.
Jie Zhou, professor assistente da Universidade de Linköping. Crédito: Olov Planthaber
Implicações e aplicações futuras
Mas para confirmar o sucesso no laboratório, é necessária a verificação – passo três. Os pesquisadores usaram o microscópio eletrônico de transmissão de varredura Arwen, da Universidade de Linköping. Ele pode examinar materiais e suas estruturas no nível atômico. Em Arwen, também é possível investigar de quais átomos um material é composto por meio da espectroscopia.
“Conseguimos confirmar que nosso modelo teórico funcionou bem e que o material resultante consistia nos átomos corretos. Após a esfoliação, as imagens do material lembravam as páginas de um livro. É incrível que a teoria possa ser colocada em prática, expandindo assim o conceito de esfoliação química para mais famílias de materiais do que MXenes”, diz Jonas Björk, professor associado da divisão de Design de Materiais.
A descoberta dos pesquisadores significa que muito mais materiais 2D com propriedades únicas estão ao nosso alcance. Estes, por sua vez, podem estabelecer as bases para uma infinidade de aplicações tecnológicas. O próximo passo para os pesquisadores é explorar mais materiais precursores potenciais e ampliar os experimentos. Johanna Rosén acredita que as aplicações futuras são quase infinitas.
“Em geral, os materiais 2D têm demonstrado grande potencial para um enorme número de aplicações. Você pode imaginar a captura de dióxido de carbono ou a purificação de água, por exemplo. Agora trata-se de ampliar a síntese e fazê-la de forma sustentável”, afirma Johanna Rosén.
Referência: “Materiais bidimensionais por cálculos em larga escala e esfoliação química de sólidos em camadas” por Jonas Björk, Jie Zhou, Per O. Å. Persson e Johanna Rosen, 14 de março de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adj6556
Financiamento: Fundação Knut e Alice Wallenberg, Iniciativa Wallenberg Ciência de Materiais para Sustentabilidade, Fundação de Göran Gustafsson para Ciências Naturais e Pesquisa Médica, Fundação para Pesquisa Estratégica, União Europeia, Conselho de Pesquisa Sueco, Área de Pesquisa Estratégica do Governo Sueco em Ciência de Materiais em Materiais Funcionais Avançados , AFM, na Universidade de Linköping
