Aterragem de precisão na rede atómica - novas formas de melhorar a catálise e a deteção de gases
Uma combinação inovadora de métodos permite a localização exacta de átomos individuais em materiais ultra-finos
Uma equipa de investigação da Universidade de Viena e da Universidade de Tecnologia de Viena conseguiu incorporar átomos de platina individuais num material ultrafino de uma forma orientada - e, pela primeira vez, conseguiu demonstrar com precisão atómica a posição que ocupam na rede. Isto foi possível graças a uma combinação de métodos recentemente desenvolvida que envolveu a criação de defeitos no material portador, a incorporação controlada de átomos individuais de platina e um processo de imagem eletrónica de elevado contraste ("ptychography"). O trabalho publicado na revista Nano Letters fornece novas abordagens para a modificação orientada de materiais.
Para tornar os materiais particularmente eficazes em aplicações como a catálise (aceleração de reacções químicas) ou a deteção de determinados gases, é necessário adaptá-los ao nível atómico. Os chamados centros activos - pequenos pontos na superfície do material onde ocorrem reacções químicas ou onde as moléculas de gás podem acoplar de forma direcionada - são cruciais neste contexto. Estes centros são particularmente eficazes se forem constituídos por átomos de metal individuais, como a platina. O objetivo do presente estudo era, portanto, produzir este tipo de material - e, ao mesmo tempo, visualizar a sua estrutura a nível atómico.
Um olhar atento sobre a estrutura atómica
O bissulfureto de molibdénio (MoS2), um semicondutor ultrafino caracterizado pela sua boa capacidade de modificação, foi utilizado como material portador. Para criar espaço para novos centros activos, a equipa de investigação utilizou o bombardeamento com iões de hélio para criar defeitos microscópicos ("engenharia de defeitos") na superfície do MoS₂ - por exemplo, lacunas de enxofre - e depois preencheu-os com átomos individuais de platina. Esta troca controlada de átomos na rede ("dopagem") pode ser utilizada para alterar especificamente as propriedades dos materiais.
Até agora, no entanto, não havia provas precisas da localização exacta dos átomos estranhos introduzidos na rede atómica, uma vez que os diferentes tipos de defeitos - tais como lacunas de enxofre simples ou duplas - dificilmente podem ser distinguidos utilizando a microscopia eletrónica convencional devido ao baixo contraste. Por isso, os investigadores recorreram à pictografia de banda lateral única (SSB), um método de imagem de última geração baseado na análise de padrões de difração de electrões. O primeiro autor do estudo, David Lamprecht, que iniciou a investigação na Universidade de Viena e que agora a prossegue no Instituto de Microeletrónica da TU Wien, explica: "Com a nossa combinação de engenharia de defeitos, dopagem e ptipografia, conseguimos visualizar até diferenças subtis na rede atómica - e provar claramente se um átomo de platina foi realmente incorporado numa lacuna ou se está apenas solto na superfície". Com a ajuda de simulações em computador, foi possível identificar com precisão os vários locais de instalação (por exemplo, locais de enxofre ou molibdénio) - um passo decisivo para a conceção de materiais específicos.
Duas aplicações, um átomo
A combinação de incorporação direcionada e imagem precisa do átomo abre novas possibilidades para dois campos-chave do futuro: A catálise e a deteção de gases. Átomos individuais de platina em locais definidos com precisão podem atuar como catalisadores particularmente eficientes - por exemplo, na produção de hidrogénio amigo do ambiente. Ao mesmo tempo, o material pode ser personalizado de modo a reagir apenas a determinadas moléculas de gás. "Com este controlo sobre os locais de instalação, podemos desenvolver sensores seletivamente funcionalizados - uma melhoria significativa em relação aos métodos existentes", sublinha Jani Kotakoski, último autor e líder do grupo de investigação da Faculdade de Física da Universidade de Viena.
Blocos de construção para materiais funcionais
A combinação de métodos apresentada pode ser aplicada não só à platina e ao MoS2, mas também, em princípio, a muitas outras combinações de materiais 2D e átomos dopantes. No futuro, a abordagem deverá ser mais desenvolvida - por exemplo, através de um controlo mais rigoroso da formação de defeitos ou de pós-tratamentos adicionais. O objetivo é desenvolver materiais funcionais com propriedades personalizadas, em que cada átomo esteja no lugar certo.
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