Inovações em nível atômico: a grande aposta da Rice em materiais 2D avançados

Boris Yakobson, da Rice University, recebeu mais de US$ 4 milhões em financiamento federal para promover pesquisas sobre materiais 2D, interfaces em materiais compostos e processos químicos fora do equilíbrio.

Seu trabalho visa desenvolver melhores métodos de produção, entender o comportamento dos materiais sob condições extremas e explorar novas sínteses de materiais para aplicações em tecnologias de energia e defesa.

Pesquisa de materiais avançados na Rice University

Materiais avançados são um ponto importante de inovação para áreas críticas para a segurança nacional, como energia, defesa, aeronáutica e tecnologias aeroespaciais. O cientista de materiais da Rice University, Boris Yakobson, ganhou três prêmios de duas agências federais totalizando $ 4.140.611 ao longo de vários anos para pesquisar aspectos desafiadores da produção, desempenho e dinâmica de materiais avançados.

Os prêmios são representativos da Rice como um local nacionalmente relevante de pesquisa em ciência de materiais. Yakobson disse que espera que os projetos, que se baseiam em trabalhos anteriores, “levem a descobertas que realmente transformem a maneira como entendemos, fazemos e trabalhamos com materiais avançados”.

Boris Yakobson é Karl F. Hasselmann Professor of Engineering e professor de ciência de materiais e nanoengenharia. Crédito: Jeff Fitlow/Rice University

Explorando técnicas de produção para materiais 2D

Um projeto intitulado “Mapeando as rotas sintéticas para materiais bidimensionais” visa desvendar os mecanismos moleculares que permitiriam a produção de materiais 2D para uso em microchips e eletrônicos futuros em escala industrial e qualidade.

Os materiais 2D foram produzidos inicialmente por meio de esfoliação ou “descascamento” átomo-camadas finas de um cristal tridimensional ⎯ ou em massa ⎯, mas esse método de produção é impraticável para aumento de escala. Os métodos de produção baseados em síntese química dependem de uma compreensão e controle precisos de reações químicas resultando no crescimento de camadas de cristal. Frequentemente, os métodos de produção envolvem a transformação do material de um sólido em vapor e de volta à forma sólida.

Representação de uma interface em um material composto. Crédito: Yakobson Research Group/Rice University

O papel da dinâmica quântica na síntese de materiais

“As reações sólido-vapor-sólido são muitas e mal compreendidas, e os avanços científicos em vários exemplos importantes devem abrir caminho para uma nova ciência na encruzilhada da cinética da reação em fase gasosa, física de superfície de não equilíbrio e estrutura cristalina emergente”, disse Yakobson, que disse que planeja usar métodos computacionais para explorar a dinâmica molecular inicial de nível quântico a fim de identificar as principais transformações que levam de precursores brutos a intermediários. espécies e, finalmente, para construir unidades que se reúnem na camada de cristal alvo.

“Estamos tentando responder a perguntas como: podemos acelerar o crescimento do cristal adicionando componentes extras sem comprometer a qualidade do nosso produto, ou como podemos criar tipos de defeitos desejados em nosso material resultante que podemos usar como transportadores de corrente, centros catalíticos oufóton emissores para qubits em um computador quântico”, disse Yakobson.

“Cola eletrônica” segura a rede atômica de um material cerâmico exposto a calor e radiação extremos, quando os íons constituintes mudam suas cargas e mobilidade. Crédito: Yakobson Research Group/Rice University

Direções estratégicas na pesquisa de síntese de materiais

Com base em trabalhos anteriores em vários materiais 2D icônicos, como grafenodissulfeto de molibdênio e nitreto de boro hexagonal, o Grupo de Pesquisa Yakobson visa estabelecer uma abordagem geral para o desenvolvimento de modelos de síntese preditiva para perovskitas, nitretos, óxidos e outros materiais cobiçados para aplicações de energia e eletrônica.

“Também pretendemos automatizar a busca por caminhos de reação que nos permitam sintetizar novos materiais até então desconhecidos ou simplificar a produção de materiais como borofenoque agora exigem técnicas caras ou esotéricas”, disse Yakobson, cujo trabalho proposto em materiais 2D será apoiado por US$ 2.107.997 ao longo de vários anos do Departamento de Energia dos EUA.

Avanços em interfaces de materiais compostos

O Yakobson Group também recebeu um total de US$ 2.032.614 do Departamento de Defesa dos EUA nos próximos quatro anos para dois projetos — um analisando interfaces em materiais compostos e outro sobre o comportamento de materiais energéticos em estados extremos de não equilíbrio.

“Um desses projetos analisa os detalhes em nível atômico ou molecular de como as interfaces — as fronteiras entre microcomponentes em um sólido misto — respondem a cargas extremas”, disse Yakobson.

As interfaces afetam o desempenho geral dos materiais compostos, e propriedades como resistência mecânica, tenacidade, resistividade elétrica e estabilidade térmica e à corrosão são de importância crítica em infraestrutura civil e de defesa e aplicações, desde pontes e ferrovias até submarinos e veículos aeroespaciais supersônicos.

“Planejamos usar computações de química quântica de última geração para observar interfaces heterogêneas a fim de determinar como materiais compostos de alto desempenho se comportam sob condições extremas e como podemos melhorar seu design”, disse Yakobson.

Desafios e inovações em processos químicos fora do equilíbrio

O segundo projeto patrocinado pelo DOD se concentrará no desenvolvimento de maneiras de quantificar as taxas de reações químicas e outros processos que ocorrem em sistemas complexos em estados distantes do equilíbrio químico.

“Sistemas que estão longe do equilíbrio termodinâmico exibirão variações espaciais significativas ou gradientes em termos de densidade de energia, composição química e mais, dificultando a determinação das velocidades dos processos”, disse Yakobson. “Isso é muito importante saber, especialmente para materiais energéticos, que são uma ampla classe de materiais que armazenam uma grande quantidade de energia química.”

Exemplos de materiais energéticos incluem explosivos, combustíveis e propelentes. Com base em insights da química do estado sólido, Yakobson busca “fazer uma mossa” na relativa escassez de conhecimento sobre como as reações mediadas por estresse e a heterogeneidade espacial de sistemas de não equilíbrio se desenvolvem em processos de fase gasosa e líquida.

Conclusão e Perspectivas Futuras

“Aproveitar a tecnologia computacional moderna será imensamente valioso para este projeto”, disse Yakobson. “Esperamos avançar da ciência de quase equilíbrio operando com, digamos, gradientes de temperatura para a dinâmica moderna de fônons quantizados, vibrons, excitons… e seu acoplamento como o novo conjunto de ferramentas para descrever o jogo de energia longe do equilíbrio.”

O conteúdo deste comunicado à imprensa é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais dos financiadores.