Cientistas da Universidade de Bath deram um passo importante para compreender a interação entre camadas de materiais atomicamente finos dispostos em pilhas. Eles esperam que sua pesquisa acelere a descoberta de novos materiais artificiais, levando ao projeto de componentes eletra´nicos que são muito menores e mais eficientes do que qualquer coisa conhecida hoje.

Menor ésempre melhor no mundo dos circuitos eletra´nicos, mas háum limite para o quanto vocêpode encolher um componente de sila­cio sem que ele superaquea§a e se desintegre, e estamos perto de alcana§a¡-lo. Os pesquisadores estãoinvestigando um grupo de materiais atomicamente finos que podem ser montados em pilhas. As propriedades de qualquer material final dependem tanto da escolha das matérias-primas quanto do a¢ngulo em que uma camada édisposta sobre a outra.

O Dr. Marcin Mucha-Kruczynski, que liderou a pesquisa do Departamento de Fa­sica, disse: "Encontramos uma maneira de determinar com que força os a¡tomos em diferentes camadas de uma pilha estãoacoplados uns aos outros, e demonstramos a aplicação de nossa ideia para uma estrutura feita de camadas de grafeno . "

A pesquisa de Bath, publicada na Nature Communications , ébaseada em trabalhos anteriores com grafeno - um cristal caracterizado por finas folhas de a¡tomos de carbono dispostos em forma de colmeia. Em 2018, cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) descobriram que quando duas camadas de grafeno são empilhadas e torcidas uma em relação a  outra pelo a¢ngulo "ma¡gico" de 1,1 °, elas produzem um material com propriedades supercondutoras. Esta foi a primeira vez que os cientistas criaram um material supercondutor feito exclusivamente de carbono. No entanto, essas propriedades desapareceram com a menor mudança de a¢ngulo entre as duas camadas de grafeno.

Desde a descoberta do MIT, cientistas de todo o mundo tem tentado aplicar esse fena´meno de 'empilhamento e torção' a ​​outros materiais ultrafinos, juntando duas ou mais estruturas atomicamente diferentes na esperana§a de formar materiais inteiramente novos com qualidades especiais.

"Na natureza, vocênão pode encontrar materiais em que cada camada atômica seja diferente", disse o Dr. Mucha-Kruczynski. "Além do mais, normalmente dois materiais são podem ser colocados juntos de uma maneira especa­fica porque as ligações químicas precisam se formar entre as camadas. Mas para materiais como o grafeno, apenas as ligações químicas entre os a¡tomos no mesmo plano são fortes. As forças entre os planos - conhecidas como as interações de van der Waals - são fracas, e isso permite que camadas de material sejam torcidas umas em relação a s outras. "

O desafio para os cientistas agora étornar o processo de descoberta de novos materiais em camadas o mais eficiente possí­vel. Ao encontrar uma fa³rmula que lhes permite prever o resultado quando dois ou mais materiais são empilhados, eles sera£o capazes de agilizar enormemente sua pesquisa.

a‰ nessa área que o Dr. Mucha-Kruczynski e seus colaboradores da University of Oxford, da Peking University e do ELETTRA Synchrotron na Ita¡lia esperam fazer a diferença.

"O número de combinações de materiais e o número de a¢ngulos em que eles podem ser torcidos émuito grande para experimentar em laboratório, então o que podemos prever éimportante", disse o Dr. Mucha-Kruczynski.

Os pesquisadores mostraram que a interação entre duas camadas pode ser determinada estudando uma estrutura de três camadas , onde duas camadas são montadas como vocêpode encontrar na natureza, enquanto a terceira étorcida. Eles usaram a espectroscopia de fotoemissão de a¢ngulo resolvido - um processo no qual a luz poderosa ejeta elanãtrons da amostra para que a energia e o momento dos elanãtrons possam ser medidos, fornecendo assim uma visão das propriedades do material - para determinar a força de dois a¡tomos de carbono em um dada distância um do outro são acoplados. Eles também demonstraram que seu resultado pode ser usado para prever propriedades de outras pilhas feitas das mesmas camadas, mesmo se as torções entre as camadas forem diferentes.

A lista de materiais atomicamente finos conhecidos como o grafeno estãocrescendo o tempo todo. Já inclui dezenas de entradas exibindo uma vasta gama de propriedades, desde isolamento a supercondutividade, transparaªncia a atividade a³tica, fragilidade a flexibilidade. A última descoberta fornece um manãtodo para determinar experimentalmente a interação entre as camadas de qualquer um desses materiais. Isso éessencial para prever as propriedades de pilhas mais complicadas e para o design eficiente de novos dispositivos.

O Dr. Mucha-Kruczynski acredita que pode levar 10 anos atéque novos materiais empilhados e torcidos encontrem uma aplicação prática e cotidiana. "Demorou uma década para o grafeno passar do laboratório para algo útil no sentido usual, então, com uma pitada de otimismo, espero que um cronograma semelhante se aplique a novos materiais", disse ele.

Com base nos resultados de seu último estudo, o Dr. Mucha-Kruczynski e sua equipe estãoagora se concentrando em pilhas torcidas feitas de camadas de dichalcogenetos de metal de transição (um grande grupo de materiais com dois tipos muito diferentes de a¡tomos - um metal e um calcogaªnio, como enxofre). Algumas dessas pilhas mostraram um comportamento eletra´nico fascinante que os cientistas ainda não são capazes de explicar.

"Como estamos lidando com dois materiais radicalmente diferentes, estudar essas pilhas écomplicado", explicou o Dr. Mucha-Kruczynski. "No entanto, temos esperana§a de que, com o tempo, seremos capazes de prever as propriedades de várias pilhas e projetar novos materiais multifuncionais."