A "caixa negra" da química dos precursores aberta
Do trabalho de adivinhação ao controlo preditivo: descodificar a química dos precursores metal-orgânicos
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Uma equipa de cientistas liderada pelo Instituto Paul Drude para a Eletrónica do Estado Sólido (PDI), em Berlim, abriu a "caixa negra" da química dos precursores, revelando - pela primeira vez - as vias de reação ocultas de um composto-chave utilizado no crescimento de óxidos complexos. A sua estrutura preditiva faz com que a síntese passe de tentativa e erro para um processo controlável e transparente, abrindo caminho para o fabrico mais rápido, mais preciso e económico de películas finas avançadas.
Do trabalho de adivinhação ao controlo preditivo: Descodificação da Química de Precursores Metal-Orgânicos
PDI / npj Comput. Mater.
Os precursores metal-orgânicos (MO) são os blocos de construção químicos no coração de materiais de óxido complexos atomicamente precisos. No entanto, em técnicas de deposição em fase vapor, como MOCVD, ALD e MBE híbrido, há muito que são tratados como uma "caixa negra" - as suas reacções são mal compreendidas e muitas vezes consideradas como "apenas mais um botão para ajustar".
Um novo estudo, recentemente aceite para publicação na revista npj Computational Materials, vem alterar esta situação. Combinando a mecânica quântica computacionalmente intensiva com a eficiência do ReaxFF e a metadinâmica, os investigadores mapearam o panorama completo da reação do isopropóxido de titânio (TTIP), um precursor comum para o crescimento de óxidos complexos. A equipa revelou etapas ocultas, potenciais bloqueios e vias de subprodutos, transformando a química dos precursores de MO num processo mais previsível e controlável.
"Os precursores metal-orgânicos são os cavalos de batalha do crescimento de óxidos complexos", disse o autor principal Nadire Nayir, chefe do grupo de Ciência dos Materiais Computacionais da PDI. "A compreensão das suas vias de reação permite a incorporação precisa de elementos, reduz as temperaturas de evaporação e melhora o controlo da composição e estequiometria do material. No entanto, o verdadeiro desafio", explicou, "reside na complexidade das reacções. As moléculas ramificam-se em múltiplos caminhos - alguns produzem produtos úteis, outros terminam em subprodutos metaestáveis ou becos sem saída. Estes podem retardar ou mesmo bloquear o processo. Durante décadas, os químicos esforçaram-se por prever quais as vias que seriam bem sucedidas".
Nayir sublinhou a dedicação dos talentosos e autodidactas estudantes de doutoramento da equipa - Benazir Yalcin Fazlioglu (co-orientado por Roman Engel-Herbert e Adri van Duin) e Cem Sanga (orientado por Nayir) - para enfrentar este desafio. Os esforços da equipa conduziram ao desenvolvimento de uma estrutura multifísica que - ao contrário dos modelos anteriores - estabelece uma ponte entre as forças motrizes termodinâmicas e os constrangimentos cinéticos, permitindo previsões fiáveis em sistemas complexos fora do alcance dos modelos de equilíbrio. "Esta estratégia permite-nos compreender e eventualmente controlar reacções que anteriormente eram opacas", afirmou Nayir. Como Harald Schäfer observou há 50 anos, "sem o conhecimento das vias de reação, não é possível controlá-las ou explorá-las". Agora, podemos antecipar os resultados das reacções e aperfeiçoar os nossos modelos em tempo real."
A colaboração foi fundamental: as simulações foram conduzidas na PDI com contribuições da Penn State e da Universidade Técnica de Istambul. "Uma das partes mais interessantes deste projeto foi o diálogo constante com os experimentalistas, que foi vital para moldar e aperfeiçoar o nosso modelo", acrescentou, atribuindo a Roman Engel-Herbert, diretor do PDI e líder dos esforços experimentais do h-MBE, o mérito das suas discussões e orientações inestimáveis.
Engel-Herbert sublinhou o impacto desta colaboração: "Antes deste trabalho, o processo era uma espécie de caixa negra. Trabalhar em estreita colaboração com a equipa de simulação permitiu-nos pensar nas nossas experiências de forma diferente. Agora, podemos ver o cenário da reação, incluindo os intermediários metaestáveis e as vias sem saída, o que nos ajuda a conceber estratégias de síntese mais inteligentes." E continuou: "Este projeto realça o poder do diálogo entre a teoria e a experiência, permitindo-nos ver os problemas através dos olhos uns dos outros."
O projeto também alimentou jovens talentos. Através dos esforços de divulgação da PDI, Irem Erpay, estudante de licenciatura em Física da Universidade Técnica de Istambul, deu contributos significativos para a investigação, mostrando que a ciência de grande impacto não se limita ao trabalho a nível de doutoramento.
Ao abrir a caixa negra da química dos precursores, a equipa está a lançar as bases para um fabrico de nanomateriais mais eficiente, previsível e escalável. "Isto é apenas a ponta do icebergue", afirmou Nayir. "O nosso objetivo final é passar da química de tentativa e erro para a síntese preditiva - desenvolvimento mais rápido de materiais, menos desperdício e controlo atómico preciso - um passo importante para o fabrico eficiente e fiável de películas finas."
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