Do cristal ao novo espaço dos materiais 2D
Novo método permite o estudo de nanoestruturas para além dos sistemas em camadas clássicos
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Os materiais bidimensionais podem apresentar propriedades que não ocorrem nos seus sistemas tridimensionais de origem, o que os torna particularmente interessantes para aplicações na área da eletrónica, por exemplo. Até agora, a investigação concentrava-se principalmente em cristais que já eram compostos por camadas com ligações fracas. Pela primeira vez, uma equipa do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e da TU Dresden desenvolveu agora um método computacional eficiente que prevê camadas atómicas separáveis em qualquer tipo de cristal. Ao analisar mais de 24 000 estruturas cristalinas conhecidas, identificaram 2 531 candidatos particularmente promissores. Os resultados foram publicados na revista *Nature Communications*.
Desde a produção do grafeno em 2004, os materiais bidimensionais têm suscitado grande interesse científico e tecnológico. Como têm apenas algumas camadas atómicas de espessura, ou mesmo apenas uma única camada atómica, podem apresentar propriedades eletrónicas, magnéticas ou químicas especiais — o que os torna particularmente interessantes para aplicações como a eletrónica, a catálise e o armazenamento de energia.
Os exemplos mais conhecidos são formados pelos chamados cristais de van der Waals. Tal como um livro, são compostos por camadas individuais mantidas juntas por forças comparativamente fracas. Por isso, é relativamente fácil separar camadas individuais. Nos cristais não em camadas, por outro lado, os átomos formam uma rede tridimensional de ligações significativamente mais fortes. Até agora, tem sido difícil prever quais destes sólidos poderiam ser divididos em camadas estáveis.
«Dado que esta classe de materiais ainda é tão recente, a seleção de materiais adequados para as experiências baseava-se frequentemente na experiência e na intuição», explica o Dr. Rico Friedrich, do Instituto de Física de Feixes de Iões e Investigação de Materiais do HZDR e da TU Dresden. «Utilizando o nosso método universal, podemos agora determinar os pontos em que um cristal, em qualquer material, pode ser melhor dividido e se, nesse processo, se pode formar uma estrutura bidimensional potencialmente estável.»
Forças de ligação em vez de meras distâncias
O cerne da nova abordagem é o «eXfoliation and Cleavage Potential», ou XCP, para abreviar. O modelo computacional utiliza os elementos químicos envolvidos e a distância entre eles para calcular com grande precisão a força das ligações entre átomos individuais. Posteriormente, dois algoritmos adicionais procuram planos cristalinos facilmente separáveis ou removem gradualmente as ligações mais fracas do modelo até restarem subestruturas bidimensionais. Ao fazê-lo, o método também deteta superfícies de separação atomicamente irregulares.
«Calcular a estrutura eletrónica para todas as superfícies imagináveis seria incrivelmente demorado», afirma o autor principal, Tom Barnowsky. «O nosso modelo eficiente, por outro lado, consegue pesquisar grandes bases de dados de materiais com um esforço computacional mínimo. Só são necessários cálculos detalhados para resultados particularmente promissores.»
Testes abrangentes em materiais bidimensionais já produzidos experimentalmente demonstraram que o método XCP consegue determinar de forma fiável os planos preferenciais de exfoliação. Está também disponível gratuitamente para os interessados como ferramenta web ( http://xcp.hzdr.de/ ).
Milhares de estruturas promissoras
A equipa aplicou o método a mais de 24 000 estruturas cristalinas conhecidas e não estratificadas, provenientes de uma das maiores bases de dados experimentais de materiais. Destas, os investigadores selecionaram 2 531 candidatos particularmente promissores para cálculos mais precisos. Nestes materiais, a composição química permanece inalterada após a separação, enquanto as proporções de ligação calculadas favorecem fortemente a formação de uma estrutura bidimensional.
Investigações posteriores confirmaram o potencial da seleção: na maioria dos candidatos, a equipa calculou energias de exfoliação comparativamente baixas. Além disso, muitas das estruturas revelaram-se estáveis tanto dinâmica como termodinamicamente — uma condição prévia fundamental para aplicações tecnológicas. Agora, as experiências têm de demonstrar se e em que condições estes materiais podem efetivamente ser produzidos.
Os materiais 2D previstos diferem significativamente das entradas existentes na base de dados. Alguns poderão mesmo sofrer uma alteração fundamental nas suas propriedades eletrónicas durante a transição para uma camada fina: entre outras coisas, os cálculos prevêem compostos nos quais os cristais tridimensionais atuam como semicondutores, tornando-se metálicos em duas dimensões. Noutros, cria-se uma banda proibida direta, o que pode ser de interesse para dispositivos optoeletrónicos. Os candidatos magnéticos também poderiam abrir novas possibilidades para a espintrónica no processamento e armazenamento de dados.
«Os nossos resultados ampliam consideravelmente o horizonte dos materiais bidimensionais», resume Friedrich. «O método não garante que todos os candidatos possam ser produzidos em laboratório. Mas mostra quais os cristais que realmente merecem o esforço experimental.»
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