Do defeito ao material de alta tecnologia
Com precisão à escala atómica: equipa de investigação lança luz sobre a nanossíntese
As nanoplaquetas de seleneto de cádmio são um ponto de partida promissor para o desenvolvimento de novos tipos de materiais electrónicos. Desde o virar do milénio, estas minúsculas plaquetas, com apenas algumas camadas atómicas de espessura, têm despertado o interesse de investigadores de todo o mundo, uma vez que possuem, entre outras, extraordinárias propriedades ópticas. Uma equipa do Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR), da TU Dresden e do Instituto Leibniz para a Investigação do Estado Sólido e dos Materiais de Dresden (IFW) deu agora um passo importante para a sua produção orientada. Os investigadores conseguiram obter conhecimentos fundamentais sobre a interação entre estrutura e função, como referem na revista Small.
As nanoestruturas à base de cádmio são ideais, por exemplo, para o desenvolvimento de materiais bidimensionais que interagem especificamente com a luz no infravermelho próximo (NIR), absorvendo-a, reflectindo-a ou emitindo-a, ou exibindo outras propriedades ópticas. Esta gama espetral é de interesse para numerosas tecnologias. No diagnóstico médico, por exemplo, estes materiais permitem uma visão mais profunda dos tecidos, uma vez que a luz NIR é menos dispersa do que a luz visível. Na tecnologia das comunicações, os materiais NIR são utilizados em sistemas de fibra ótica altamente eficientes, enquanto na energia solar podem potencialmente aumentar a eficiência das células fotovoltaicas.
"A capacidade de modificar especificamente o material para que este tenha as propriedades ópticas e electrónicas desejadas é crucial para todas estas aplicações", afirma o Dr. Rico Friedrich do Instituto de Física de Feixes de Iões e Investigação de Materiais da HZDR e da Cátedra de Química Teórica da TU Dresden. "Isto tem sido problemático até agora, uma vez que o trabalho de síntese nanoquímica era geralmente mais como misturar e experimentar", acrescenta o Prof. Alexander Eychmüller da Cátedra de Química Física da TU Dresden. Ambos os cientistas lideraram conjuntamente o projeto de investigação em cooperação.
Abordagem inovadora: permuta catiónica para a produção de nanopartículas bem definidas
O desafio específico consiste em controlar especificamente o número de camadas atómicas e a sua composição nas nanoestruturas - e, por conseguinte, a sua espessura - sem alterar a sua largura e comprimento. A síntese de tais nanopartículas complexas é um desafio central na investigação de materiais. É aqui que entra a troca catiónica, um método em que certos catiões - iões de carga positiva - numa nanopartícula são especificamente substituídos por outros. "O processo permite um controlo preciso da composição e da estrutura, de modo que as partículas podem ser produzidas com propriedades que não poderiam ser obtidas utilizando métodos de síntese convencionais. No entanto, pouco se sabe sobre como se processa exatamente esta reação e em que ponto começa", diz Eychmüller.
No trabalho atual da equipa, a atenção centrou-se nas nanoplaquetas cujos cantos activos desempenham um papel decisivo. Estes cantos são particularmente reactivos do ponto de vista químico e permitem que as plaquetas se unam para formar estruturas organizadas. Para compreender melhor estes efeitos, os investigadores combinaram métodos sintéticos sofisticados, microscopia de resolução atómica (eletrónica) e simulações informáticas exaustivas.
Os cantos activos e os defeitos das nanopartículas são interessantes não só pela sua reatividade química, mas também pelas suas propriedades ópticas e electrónicas. Nestes pontos, existe frequentemente uma concentração de portadores de carga, que pode influenciar o transporte de portadores de carga e a absorção de luz. "Em combinação com a capacidade de trocar átomos ou iões individuais, estes defeitos podem também ser utilizados na catálise de um só átomo. Aqui, a elevada reatividade e seletividade de átomos individuais é utilizada para tornar os processos químicos mais eficientes", explica Friedrich. O controlo preciso de tais defeitos é também crucial para a atividade NIR dos nanomateriais. Eles influenciam a forma como a luz é absorvida, emitida ou dispersa no infravermelho próximo e, por conseguinte, oferecem pontos de partida para otimizar as propriedades ópticas de uma forma orientada.
Ligação de nanoestruturas: um passo para a auto-organização
Outro resultado desta investigação é a possibilidade de ligar especificamente as nanoplaquetas. Os cantos activos permitem que as partículas sejam combinadas para formar estruturas ordenadas ou mesmo auto-organizadas. Esta organização poderá ser utilizada em aplicações futuras para criar materiais complexos com funções integradas, por exemplo, para sensores activos NIR ou novos tipos de componentes electrónicos. Na prática, esses materiais poderiam aumentar a eficiência dos sensores e das células solares ou permitir novas formas de transmissão de dados. Ao mesmo tempo, a investigação fornece conhecimentos fundamentais que são também importantes para outras áreas da nanociência, como a catálise ou o desenvolvimento de materiais quânticos.
Os resultados da equipa só foram possíveis graças à combinação de métodos sintéticos, experimentais e teóricos de ponta. Os investigadores conseguiram não só controlar com precisão a estrutura das nanopartículas, mas também investigar em pormenor o papel dos cantos activos. As experiências sobre a distribuição de defeitos atómicos e a análise da composição foram combinadas com modelos teóricos para obter uma compreensão abrangente das propriedades do material.
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