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Impressão termoplástica com precisão atômica. a Representação esquemática do arranjo geométrico da prensa utilizada para a estampagem a quente, onde um lingote cilíndrico de vidro metálico a granel (BMG) com cerca de 2,5 mm de altura e 2 mm de diâmetro é colocado na superfície de um cristal único de titanato de estrôncio (STO). que foi preparado para apresentar terraços individuais atomicamente planos separados por degraus de altura de célula unitária (0,39 nm). b Imagem de microscopia de força atômica (AFM) da superfície de um cristal STO usado como molde, revelando a estrutura superficial em terraço mencionada acima. Inserção: Modelo estrutural do dióxido de titânio do cristal (TiO2) planos terminados e escalonados (001). c Após a conclusão da impressão, a placa superior é removida e o disco BMG formado é separado do modelo STO e virado para inspeção AFM. d Espelhado e z-imagem AFM invertida da localização exata que foi moldada pelo contato com a área do cristal STO exibida em (a). A comparação com a morfologia original do modelo mostra que todos os detalhes da estrutura são reproduzidos com precisão sub-ångstrom. O tamanho da imagem é em ambos os casos 5 μm × 5 μm. O desenho na lupa destaca a estrutura desordenada (ou seja, vítrea) do Pt57,5Cu14,7Não5.3P22,5 liga usada para replicação.
Os pesquisadores de Yale desenvolveram um procedimento que pode replicar estruturas superficiais em escala atômica – um avanço que pode levar a melhores catalisadores, melhor armazenamento de dados e outras aplicações inovadoras. Também poderia ajudar a desvendar alguns mistérios de longa data sobre a natureza do estado líquido-vítreo de certos materiais.
Liderada por Udo Schwarz, professor e catedrático de engenharia mecânica e ciência de materiais, a equipe de pesquisa demonstrou a capacidade de replicar de forma confiável e repetida a estrutura superficial em terraços de monocristais de titanato de estrôncio (SrTiO3), que servem como molde, gravando-os em um vidro metálico. Ao fazer isso, eles foram capazes de recriar todos os detalhes da superfície do molde, até detalhes minuciosos em escala atômica, como degraus de superfície, dobras e depressões com dimensões de apenas uma célula unitária do cristal SrTiO3 original. Os resultados foram publicados hoje na Communications Physics, uma revista da Nature.
O processo envolve aquecer um vidro metálico Liga contendo predominantemente platina e depois comprimindo-a para que flua para dentro do molde. É semelhante às técnicas de moldagem rotineiras usadas com plásticos à base de polímeros para fazer coisas como brinquedos e invólucros, mas em uma escala muito menor. O trabalho baseia-se em pesquisas anteriores lideradas pelo coautor Jan Schroers, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais, especialista em ligas metálicas de vidro que podem ser produzidas em grandes quantidades.
A chave para a descoberta foi a escolha do titanato de estrôncio como material do molde.
“Levamos alguns anos para descobrir que tipo de molde é adequado para isso”, disse Schwarz. Outros materiais, como cloreto de sódio e grafite, uniriam-se ou transfeririam material para o objeto que estava sendo replicado. O titanato de estrôncio, um cristal quebradiço à base de óxido, possui as propriedades perfeitas para o projeto.
“Quando você resfria a pilha de cristal/vidro após a impressão, ela se desfaz ao longo de sua interface e você tem uma cópia 100% precisa da estrutura da superfície do seu molde”, disse Schwarz. “Cada detalhe é exatamente o mesmo. Por exemplo, muitas vezes existem pequenas depressões profundas de células unitárias na superfície do cristal e elas se replicam perfeitamente. A superfície resultante do vidro metálico parece então um cristal refletor com todas as características usuais, como terraços atomicamente planos, mesmo sendo de vidro.”
O outro componente crítico é a escolha de formar a réplica a partir de vidro metálico a granel, um material com a resistência do metal, mas com a flexibilidade dos plásticos quando aquecido acima de sua temperatura de transição vítrea. Schwarz disse que os plásticos à base de polímeros têm funcionado “relativamente bem” para projetos semelhantes, mas como os seus átomos se movem juntos em cadeias, há um limite para a quantidade de detalhes que podem ser obtidos. “No vidro metálico, cada átomo se move por conta própria. É por isso que você pode replicar qualquer coisa com tanta precisão.”
Existem inúmeras aplicações potenciais para a tecnologia, como a funcionalização de superfícies através de padrões de superfície atomicamente precisos. “Com isso, você poderia criar a superfície certa para adesão máxima, ou talvez para adesão mínima”, disse Schwarz.
Ao maximizar a área superficial dos metais até o seu limite teórico, também abre uma ampla gama de avanços potenciais nas áreas de sensores, catalisadores e baterias. Também poderia lançar alguma luz sobre a misteriosa estrutura do vidro metálico. Schwarz observa que até agora ninguém conseguiu visualizar diretamente a estrutura atômica do vidro tridimensional – isso inclui tanto o vidro metálico quanto o convencional, como os usados em janelas. Em 2005, a Science Magazine incluiu a pergunta “Qual é a natureza do estado vítreo?” em sua lista de “100 questões fundamentais que não sabemos”. Pouco progresso foi alcançado desde então, mas ser capaz de replicar neste nível de detalhe poderia ajudar muito a compreender melhor estes materiais.
Referência: “Impressão atômica em vidros metálicos” por Rui Li, Zheng Chen, Amit Datye, Georg H. Simon, Jittisa Ketkaew, Emily Kinser, Ze Liu, Chao Zhou, Omur E. Dagdeviren, Sungwoo Sohn, Jonathan P. Singer, Chinedum O. Osuji, Jan Schroers e Udo D. Schwarz, 5 de novembro de 2018, Física das Comunicações.
DOI: 10.1038/s42005-018-0076-6