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Nanotecnologia

Ouro mais fino do mundo é quase 2D - E como ele fica líquido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/08/2019

Ouro mais fino do mundo é quase 2D - E como ele fica líquido
Ainda não é o "oureno", mas essa camada de ouro tem apenas dois átomos de espessura.
[Imagem: Ella Maru Studio/MIPT]

Metais bidimensionais

A família de materiais bidimensionais, da qual o grafeno é o membro mais famoso e o plumbeno é o mais jovem, continua a crescer graças a técnicas que estão permitindo a exfoliação dos materiais em bruto, retirando deles camadas com átomos ou moléculas de espessura.

No entanto, muitos materiais - como os metais ouro, prata e cobre, largamente utilizados, da eletrônica à catálise - não têm uma estrutura cristalina em camadas, o que levou a pressupor que não seria possível fabricar camadas monoatômicas deles.

A engenhosidade dos pesquisadores, contudo, mostrou que essa pressuposição está incorreta, abrindo caminho para o uso desses metais em camadas 2D, ideais para a eletrônica flexível e transparente, incluindo telas dobráveis, papel eletrônico, eletrônica de vestir, lentes com eletrônica embutida e uma infinidade de outras possibilidades.

Várias equipes apresentaram resultados quase simultâneos justamente com o ouro, um dos metais mais utilizados nos contatos eletrônicos e em experimentos de vanguarda, incluindo as áreas da fotônica, spintrônica e computação quântica.

Ouro mais fino do mundo é quase 2D - E como ele fica líquido
Sobre a molibdenita (MoS2), o ouro forma uma camada plana e contínua.
[Imagem: Yury Stebunov et al. - 10.1002/admi.201900196]

Monocamada de ouro

O primeiro avanço foi obtido por Dmitry Yakubovsky, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, na Rússia. Usando outro material bidimensional - a molibdenita (MoS2) - como substrato, Yakubovsky usou deposição de vapor químico para criar camadas de ouro de apenas 3 nanômetros de espessura.

Uma única camada de dissulfeto de molibdênio permitiu a fabricação de filmes metálicos finos e lisos de ouro. Embora não seja uma monocamada atômica, essa espessura já é suficiente para que o metal se torne transparente, permitindo seu uso nas tecnologias mais promissoras.

A equipe enfatiza a aplicabilidade universal de sua técnica: A monocamada pode ser depositada em uma superfície arbitrária com quaisquer propriedades para produzir um revestimento ultrafino de filme metálico. Essas camadas de metal quase-2D podem ser integradas em estruturas multicamadas tipo sanduíche, incorporando vários materiais 2D. Conhecidas como heteroestruturas de van der Waals, elas podem conter diversos "ingredientes", incluindo semicondutores, dielétricos, semimetais e, de agora em diante, metais.

Ouro mais fino do mundo é quase 2D - E como ele fica líquido
Estas são as camadas de ouro mais finas já criadas, com 0,47 nanômetro de espessura.
[Imagem: Sunjie Ye et al. - 10.1002/advs.201900911]

Ouro mais fino do mundo

Sunjie Ye, da Universidade de Leeds, no Reino Unido, foi além, e chegou muito perto do ouro monoatômico: ela criou uma folha de ouro com apenas dois átomos de espessura.

Para isso, a pesquisadora usou uma solução aquosa com ácido cloroáurico, uma substância inorgânica que contém ouro, que foi reduzido à sua forma metálica na presença de um "agente de confinamento" - uma substância química que estimula o ouro a se estruturar como uma folha. O processo funciona a temperatura ambiente (20º C).

A quase monocamada de ouro mede 0,47 nanômetro de espessura, a mais fina camada de ouro já fabricada sem um suporte, e literalmente um átomo de distância da camada de ouro mais fina possível - que possivelmente se chamará oureno, quando sintetizada.

Os testes mostraram que o ouro ultrafino é 10 vezes mais eficiente como substrato catalítico do que as nanopartículas de ouro usadas atualmente, que são materiais 3D, com a maioria dos átomos residindo na massa e não na superfície.

Os cientistas acreditam que o novo material também pode formar a base de enzimas artificiais que podem ser aplicadas em testes diagnósticos médicos rápidos e em sistemas de purificação de água.

Ouro mais fino do mundo é quase 2D - E como ele fica líquido
É a primeira vez que se observa em detalhes como as nanopartículas passam de sólido para líquido.
[Imagem: Foster et al. - 10.1038/s41467-019-10713-z]

Como as nanopartículas se fundem

Dawn Foster, da Universidade de Swansea, também no Reino Unido, estava mais preocupado em descobrir como se comporta e quais são as propriedades do ouro líquido em nanoescala. Em outras palavras, o que acontece quando nanopartículas ou filmes de ouro se fundem?

Embora a questão de como as nanopartículas se comportam ao mudar de fase tenha sido foco de pesquisas há tempos, este ainda é um problema em aberto - modelos teóricos iniciais descrevendo dados de fusão em nanoescala datam de quase 100 anos, e os modelos mais relevantes já têm 50 anos de idade.

Foster trouxe novidades à área filmando nanopartículas de ouro, com diâmetros variando de 2 a 5 nanômetros, via microscopia eletrônica de transmissão de varredura corrigida por aberração. Suas observações foram posteriormente apoiadas por simulações de mecânica quântica de larga escala.

"Conseguimos provar a dependência do ponto de fusão das nanopartículas do seu tamanho e, pela primeira vez, ver diretamente a formação de um reservatório líquido em torno de um núcleo sólido nas nanopartículas em uma ampla região de temperaturas elevadas, na verdade por centenas de graus.

"Isso nos ajuda a descrever com precisão como as nanopartículas se fundem e a prever seu comportamento em temperaturas elevadas. Esse é um avanço científico em um campo com o qual todos nos relacionamos - a fusão - e também irá ajudar os fabricantes de componentes de nanotecnologia para uma gama de usos práticos e cotidianos, incluindo medicina, catálise e eletrônica," disse o professor Richard Palmer, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Artigo: Ultrathin and Ultrasmooth Gold Films on Monolayer MoS2
Autores: Dmitry I. Yakubovsky, Yury V. Stebunov, Roman V. Kirtaev, Georgy A. Ermolaev, Mikhail S. Mironov, Sergey M. Novikov, Aleksey V. Arsenin, Valentyn S. Volkov
Revista: Advanced Materials Interfaces
Vol.: 10, Article number: 2583
DOI: 10.1002/admi.201900196

Artigo: Sub-Nanometer Thick Gold Nanosheets as Highly Efficient Catalysts
Autores: Sunjie Ye, Andy P. Brown, Ashley C. Stammers, Neil H. Thomson, Jin Wen, Lucien Roach, Richard J. Bushby, Patricia Louise Coletta, Kevin Critchley, Simon D. Connell, Alexander F. Markham, Rik Brydson, Stephen D. Evans
Revista: Nature Communications
DOI: 10.1002/advs.201900911

Artigo: Atomic-resolution imaging of surface and core melting in individual size-selected Au nanoclusters on carbon
Autores: Dawn M. Foster, Th. Pavloudis, J. Kioseoglou, Richard E. Palmer
Revista: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-019-10713-z






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