Vibrações exóticas em novos materiais
Novas descobertas mostram a aplicabilidade universal do carbino como sensor
Para a conceção de futuros materiais, é importante compreender a forma como os átomos individuais no interior de um material interagem uns com os outros em termos de mecânica quântica. Os estados vibracionais anteriormente inexplicáveis entre cadeias de carbono (carbino) e nanotubos têm intrigado os cientistas de materiais. Investigadores da Áustria, Itália, França, China e Japão, liderados pela Universidade de Viena, conseguiram agora chegar ao fundo deste fenómeno com a ajuda da espetroscopia Raman, de modelos teóricos inovadores e da utilização da aprendizagem automática. Os resultados publicados na revista "Nature Communications" mostram a aplicabilidade universal do carbino como sensor devido à sua sensibilidade às influências externas.
Para a conceção de futuros materiais, é importante compreender como a matéria interage à escala atómica. Estes efeitos da mecânica quântica determinam todas as propriedades macroscópicas da matéria, tais como as propriedades eléctricas, magnéticas, ópticas ou elásticas. Nas experiências, os cientistas utilizam a espetroscopia Raman, em que a luz interage com a matéria, para determinar os estados próprios de vibração dos núcleos atómicos das amostras.
Há nove anos, o grupo de investigação de Thomas Pichler, da Universidade de Viena, conseguiu, pela primeira vez, estabilizar o carbino, uma cadeia linear de átomos de carbono, em nanotubos de carbono, para surpresa da comunidade científica. A carbina, que até agora só tinha sido encontrada num tubo, tem propriedades electrónicas controláveis, essenciais para a tecnologia dos semicondutores, e poderá ser o material mais forte conhecido em termos de resistência à tração. Na sua experiência, a equipa observou um estado inesperado do sistema, que não correspondia ao modelo explicativo comum e que foi completamente incompreendido na altura.
Os investigadores analisaram agora mais de perto este estado inexplicável do sistema. Utilizando um modelo teórico inovador, que só pôde ser aplicado graças aos recentes avanços na aprendizagem automática, conseguiram encontrar uma explicação para as novas interações entre a cadeia e o nanotubo observadas nos laboratórios, que inicialmente parecem paradoxais. "Embora a cadeia e o nanotubo estejam isolados eletronicamente e, portanto, não troquem electrões, estão sujeitos a um acoplamento inesperadamente forte entre as vibrações das duas nanoestruturas", explica Emil Parth, da Universidade de Viena, autor principal do estudo publicado na Nature Communications. Por outras palavras, o carbino e o nanotubo falam um com o outro eletronicamente, ao mesmo tempo que estão isolados eletronicamente no sentido clássico. Este acoplamento mecânico quântico de vibrações é normalmente negligenciável, mas neste caso particular é extraordinariamente forte devido às propriedades electrónicas intrínsecas e à instabilidade estrutural da cadeia.
É isto que torna a cadeia tão interessante, uma vez que reage fortemente a influências externas. Por conseguinte, interage fortemente com o nanotubo que a rodeia. O novo estudo mostra que, surpreendentemente, esta interação não é unilateral, uma vez que a carbina também altera as propriedades do nanotubo, embora de uma forma diferente da que se supunha anteriormente. "A sensibilidade da carbina a influências externas é crucial para a sua potencial aplicação em futuros materiais e dispositivos como sensor ótico sem contacto à nanoescala, por exemplo, como sensor de temperatura local para medições do transporte de calor", conclui Thomas Pichler, chefe do grupo de investigação da Universidade de Viena.
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Publicação original
Emil Parth, Andrea Corradini, Weili Cui, Davide Romanin, Christin Schuster, Clara Freytag, Lei Shi, Kazuhiro Yanagi, Matteo Calandra, Thomas Pichler; "Anharmonic effects control interaction of carbyne confined in carbon nanotubes shaping their vibrational properties"; Nature Communications, Volume 16, 2025-5-26
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