Cristais quânticos podem revolucionar da computação à indústria química

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/11/2025

A maioria dos elétrons fica ligada a átomos, mas muitos deles ficam soltos no material, podendo ser capturados por "ganchos" adequados.
[Imagem: www.inovacaotecnologica.com.br]

Controlando elétrons soltos

Cientistas projetaram uma nova classe de materiais, que eles chamam de "cristais quânticos", que permite um controle sem precedentes sobre o comportamento dos elétrons.

O avanço está no que eles chamam de "eletretos imobilizados em superfície", estruturas que funcionam como guias para direcionar elétrons soltos, abrindo caminho para computadores quânticos e processos industriais radicalmente mais eficientes.

Toda a tecnologia moderna, da mais simples reação química até um supercomputador eletrônico ou um computador quântico, dependem de como os elétrons se movem e interagem. No entanto, na maioria dos materiais, os elétrons estão fortemente ligados aos átomos, limitando suas possibilidades de ação.

Já foram idealizados materiais especiais, conhecidos como "eletretos", onde os elétrons flutuam livremente, abrindo caminho para contornar essa limitação. Contudo, todos os que haviam sido projetados até agora haviam-se mostrado instáveis e difíceis de produzir em escala, impedindo aplicações práticas.

É um novo tipo de material no qual os elétrons podem se mover livremente sobre uma superfície sólida. Ao organizar esses elétrons em diferentes padrões, o material poderá ser usado para construir computadores mais rápidos ou catalisar reações químicas mais eficientes.
[Imagem: Andrei Evdokimov et al. - 10.1021/acsmaterialslett.5c00756]

Eletretos Fixados em Superfície

Andrei Evdokimov e colegas da Universidade Auburn, nos EUA, encontraram um modo de sintetizar eletretos práticos e estáveis.

A solução está em ancorar moléculas especiais, chamadas "precursores de elétrons solvatados", na superfície de materiais ultraestáveis, como o diamante e o carbeto de silício - o carbeto de silício também é um semicondutor, como seu irmão famoso, mas é muito mais resistente. E a imobilização dessas moléculas superficiais cria uma plataforma robusta e controlável.

A chave de tudo está no acoplamento ajustável das moléculas. Dependendo de como as moléculas são organizadas na superfície do material de base, os elétrons livres podem ser configurados de duas formas principais: Eles podem formar ilhas isoladas, que se comportam como bits quânticos (qubits) para computação, ou podem criar um "mar" metálico contínuo, ideal para catalisar reações químicas complexas.

"Ao aprender a controlar estes elétrons livres, podemos projetar materiais que fazem coisas que a natureza nunca pretendeu," disse o professor Evangelos Miliordos, coordenador da equipe.

Em baixas concentrações, os elétrons podem formar sistemas 0D isolados ou canais 1D. Em concentrações mais altas, eles formam mares de elétrons 2D sobre o cristal usado como substrato.
[Imagem: Andrei Evdokimov et al. - 10.1021/acsmaterialslett.5c00756]

Possíveis aplicações

Devido ao seu papel fundamental na transferência de energia, ligações e condutividade, os elétrons são a força vital da síntese química e da tecnologia moderna. Nos processos químicos, os elétrons impulsionam reações redox, permitem a formação de ligações e são essenciais na catálise. Em aplicações tecnológicas, a manipulação do fluxo e das interações entre elétrons determina o funcionamento dos componentes eletrônicos, dos algoritmos de IA, das células solares e até mesmo da computação quântica.

Assim, a descoberta desses cristais manipuladores de elétrons abre muitas portas. Mas, de modo mais imediato, a equipe cita possibilidades de aplicações em duas frentes principais.

A primeira é na computação quântica: As ilhas de elétrons podem servir como qubits muito estáveis e robustos, e a perda de dados, por fragilidade ou interferência, é um dos maiores desafios dos computadores quânticos atuais.

A segunda está em catalisadores avançados em relação a tudo o que existe hoje. O "mar de elétrons" pode fomentar reações químicas de forma extremamente eficiente, revolucionando a produção de combustíveis, medicamentos e produtos industriais, tornando-os mais baratos e sustentáveis.

"Esta é uma ciência fundamental, mas com implicações muito reais," disse Konstantin Klyukin, membro da equipe. "Estamos falando de tecnologias que podem mudar a forma como computamos e como fabricamos."

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