Átomos misturados aleatoriamente, alinhados em fileiras, para uma catálise sustentável
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Para o sistema energético do futuro, são necessários catalisadores sustentáveis que permitam, por exemplo, produzir hidrogénio verde de forma eficiente. Os materiais constituídos por misturas de cinco elementos químicos revelam-se promissores para a criação de catalisadores ideais no futuro. Investigadores do Centro de Investigação Especial 1625 da DFG «Compreensão à escala atómica e conceção de superfícies de cristais mistos multifuncionais com composição química complexa» conseguiram fazer crescer esses chamados cristais mistos complexos de forma quase monocristalina numa pastilha de safira e analisá-los minuciosamente através de quatro métodos diferentes de microscopia.
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Átomos provenientes de cinco direções
Para produzir cristais mistos complexos, os investigadores utilizam um sistema de revestimento combinatório (co-sputtering), que projeta átomos dos cinco elementos de partida selecionados a partir de cinco direções sobre uma pastilha. «Aí, depositam-se aleatoriamente e formam nanocristais quimicamente desordenados com inúmeras interfaces», descreve o Prof. Dr. Alfred Ludwig, da Universidade Ruhr de Bochum, porta-voz do Centro de Investigação Especial. «Embora isso seja muito bom para aplicações, constitui simultaneamente um desafio investigar estes novos materiais no âmbito da investigação fundamental com uma resolução que pode chegar ao nível atómico. No entanto, isso é importante para a sua conceção futura orientada para objetivos específicos.»
Para manter a mistura dos cinco componentes atómicos, mas introduzir mais ordem estrutural nos materiais, o Dr. Satyakam Kar, do grupo de trabalho de Bochum, escolheu como base uma pastilha de monocristal de safira, revestida com uma camada extremamente fina de platina como intermediário. «Desta forma, os átomos que incidem depositam-se de modo a prolongarem a estrutura cristalina do substrato em áreas da ordem dos micrómetros», explica Ludwig, referindo-se ao chamado crescimento epitaxial em camadas. O resultado é uma superfície cristalina muito bem definida, extremamente lisa, que permite análises com a mais alta resolução.
«Para que isto funcione, o processo de pulverização catódica tem de decorrer a altas temperaturas, entre 400 e 600 graus Celsius; a taxa de átomos que chegam não pode ser nem demasiado elevada nem demasiado baixa; e é necessário escolher a camada intermediária correta entre o substrato monocristalino e a camada propriamente dita», explica Satyam Kar, que trabalha atualmente como professor adjunto no Instituto Indiano de Tecnologia de Gandhinagar.
Plataforma experimental sob microscópios
A equipa de investigação testou o processo com uma mistura de irídio, paládio, platina, ródio e ruténio. Utilizaram as camadas assim produzidas como plataforma experimental: através de análises microscópicas, conseguiram constatar que os cinco elementos de partida se tinham depositado de forma muito bem misturada quimicamente, apesar da boa ordem estrutural. «O que também podemos observar é que, durante o crescimento da camada, se formam duas orientações diferentes, entre as quais existem, por sua vez, interfaces, mas muito menos numerosas e mais bem definidas do que nos nanocristais», descreve Alfred Ludwig. Através de uma minúscula ponta de diamante, os investigadores aplicaram marcações na pastilha, para se orientarem em análises microscópicas posteriores e poderem localizar as diferentes áreas e compará-las entre si. Análises nanoeletroquímicas realizadas no grupo da Prof.ª Dr.ª Corina Andronescu (Universidade de Duisburg-Essen) revelaram que uma das duas orientações era eletroquimicamente vantajosa.
Outras investigações no grupo da Prof.ª Dr.ª Christina Scheu, no Instituto Max Planck de Materiais Sustentáveis, levaram à conclusão de que as camadas epitaxiais apresentam uma estrutura de defeitos interessante. Assim, em algumas áreas, os cristais continuam a crescer perfeitamente, tal como a base de safira determina. Noutros pontos, porém, formam-se estruturas empilhadas, que são visíveis ao microscópio como riscas transversais. «Trabalhos futuros irão revelar a importância destes defeitos para as propriedades desejadas dos catalisadores», afirma Alfred Ludwig.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
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