Técnica altera propriedades do material átomo por átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/12/2020

A técnica cria "defeitos" na estrutura cristalina do material, mudando seu comportamento átomo por átomo, sem estragar suas outras propriedades.
[Imagem: Nanolayers Research Computing]

Nanotécnica

"Nós descobrimos uma maneira completamente nova de controlar a condutividade dos materiais em nanoescala," anunciou entusiasmado o professor Dennis Meier, da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia.

Não é para menos: A técnica que sua equipe desenvolveu não interfere nas outras propriedades do material - e estamos falando de propriedades que quase sempre são mutuamente excludentes.

Isso torna possível combinar diferentes funções no mesmo material, o que é um avanço importante para a tecnologia em nanoescala, que gosta de construir as coisas "de baixo para cima", montando átomos e moléculas como se eles fossem peças de encaixar.

No nosso dia a dia, controlar a passagem da corrente elétrica é tão simples quanto apertar um interruptor e ver a lâmpada se acender. Contudo, quando nos aproximamos da escala onde as coisas são medidas em nanômetros, manipular um fluxo de elétrons não é tão simples.

"A utilização de fenômenos quânticos exige precisão extrema para manter a proporção certa de diferentes substâncias no material enquanto muda a estrutura química do material, o que é necessário se você deseja criar sinapses artificiais para simular as propriedades das vias nervosas como as que conhecemos na biologia," detalha o professor Meier.

Vacâncias atômicas

A grande inovação é que a equipe descobriu um meio de tirar proveito de irregularidades do material em nível atômico, conhecidas como "defeitos anti-Frenkel". Yakov Frenkel [1894-1952] descobriu que é possível que um átomo saia do seu lugar na rede cristalina, deixando o que hoje é conhecido como "vacância".

As vacâncias de nitrogênio no diamante, por exemplo, estão sendo exploradas como qubits para computadores quânticos, enquanto vacâncias de enxofre recentemente foram aproveitadas para construir a menor memória do mundo.

Meier e seus alunos desenvolveram agora uma técnica que permite criar esses defeitos de forma previsível e sem mudar a estrutura do cristal inteiro. Desta forma é possível, por exemplo, transformar um material isolante em condutor sem mudar outras de suas propriedades, como o magnetismo, a ferroeletricidade ou mesmo a supercondutividade.

A grande vantagem é a criação, átomo por átomo, de materiais com múltiplas funcionalidades.
[Imagem: Donald M. Evans et al. - 10.1038/s41563-020-0765-x]

Escrevendo defeitos

O tratamento consiste em aplicar um campo elétrico preciso ao longo da rede cristalina do material usando a ponta de um microscópio de força atômica - a ponta funciona como uma "caneta" que, em vez mudar a cor pela aplicação de uma tinta, altera as propriedades elétricas do material.

"Esses defeitos são gerados com precisão espacial em nanoescala para aumentar localmente a condutividade de salto eletrônico em ordens de magnitude, sem perturbar a ordem ferroelétrica. Explicamos os efeitos não voláteis usando a teoria do funcional da densidade e discutimos sua universalidade, sugerindo uma dimensão alternativa aos óxidos funcionais e o desenvolvimento de dispositivos multifuncionais para nanotecnologia de última geração," escreveu a equipe.

Outra vantagem da técnica é que ela permite "apagar" componentes em nanoescala usando um tratamento térmico simples. Em seguida, pode-se reprogramá-los ou criar novos componentes.

"Manter a integridade estrutural permite projetar dispositivos multifuncionais com o mesmo material. Este é um grande passo em direção a novas tecnologias em nanoescala," explicou o pesquisador.

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