Os nanoplatelas de seleneto de cadmio fornecem uma base promissora para o desenvolvimento de materiais eletrônicos inovadores. Desde a virada do milênio, os pesquisadores de todo o mundo têm um interesse explicit nessas pequenas plaquetas, que têm apenas alguns átomos de espessura, pois oferecem propriedades ópticas extraordinárias e outras. Uma equipe do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Tu Dresden e o Instituto Leibniz de Estado Sólido e Pesquisa de Materiais Dresden (IFW) deu um passo importante em direção à produção sistemática de tais nanoplateletes. Os pesquisadores foram capazes de obter informações fundamentais sobre a interação entre estrutura e função, como relatam na revista Pequeno.
As nanoestruturas à base de cádmio se prestam ao desenvolvimento de materiais bidimensionais que entram em interações específicas com a luz do infravermelho próximo (NIR) absorvendo, refletindo ou emitindo luz ou exibindo outras propriedades ópticas. Essa faixa espectral é de interesse para inúmeras tecnologias. No diagnóstico médico, por exemplo, esses materiais oferecem informações mais profundas sobre o tecido, uma vez que a luz NIR é espalhada menos que a luz visível. Na tecnologia de comunicação, os materiais NIR são usados em sistemas de fibra óptica altamente eficientes. Na energia photo voltaic, eles podem aumentar a eficiência das células fotovoltaicas.
“A capacidade de modificar especificamente o materials para apresentar as propriedades ópticas e eletrônicas desejadas é essential para todas essas aplicações”, diz o Dr. Rico Friedrich, do Instituto de Pesquisa de Física e Materiais do Instituto de Ion Beam na HZDR e presidente da química teórica em Tu Dresden. “No passado, isso period um desafio, porque a síntese nanoquímica costumava ser mais sobre misturar materiais por tentativa e erro”, acrescenta o Prof. Alexander Eychmüller, presidente da química física da Tu Dresden. Os dois cientistas lideraram em conjunto o projeto de pesquisa colaborativa.
Uma abordagem inovadora: troca catiônica para produzir nanopartículas bem definidas
O desafio específico aqui é controlar especificamente o número de camadas atômicas e sua composição nas nanoestruturas (e, portanto, sua espessura) sem alterar sua largura e comprimento. A síntese de nanopartículas complexas é um desafio basic na pesquisa de materiais. É aqui que entra a troca catiônica. Nesse método, certos cátions – íons carregados positivamente – em uma nanopartícula são sistematicamente substituídos por outros. “O processo nos fornece controle preciso sobre a composição e a estrutura, permitindo produzir partículas com propriedades que não poderíamos atingir usando métodos de síntese convencionais. No entanto, pouco se sabe sobre o funcionamento exato e o ponto de partida dessa reação”, diz Eychmüller.
No projeto atual, a equipe se concentrou em nanoplatelas, cujos cantos ativos desempenham um papel essential. Esses cantos são particularmente quimicamente reativos, o que torna possível ligar as plaquetas a estruturas organizadas. Para entender melhor esses efeitos, os pesquisadores combinaram métodos sintéticos sofisticados, microscopia de resolução atômica (elétrons) e extensas simulações de computador.
Os cantos e defeitos ativos nas nanopartículas não são apenas interessantes devido à sua reatividade química, mas também às suas propriedades ópticas e eletrônicas. Esses lugares geralmente têm uma alta concentração de transportadores de carga, que podem afetar seu transporte e a absorção da luz. “Combinado com a capacidade de trocar átomos ou íons únicos, também poderíamos usar esses defeitos na catálise de átomos únicos, aproveitando a alta reatividade e seletividade de átomos individuais para aumentar a eficiência dos processos químicos”, explica Friedrich. O controle preciso de tais defeitos também é essential para a atividade de NIR de nanomateriais. Eles afetam como a luz do infravermelho próximo é absorvido, emitido ou disperso, oferecendo maneiras de otimizar sistematicamente as propriedades ópticas.
Nanoestruturas de ligação: um passo em direção à auto-organização
Outro resultado desta pesquisa é a possibilidade de vincular sistematicamente nanoplatelas por seus cantos ativos, combinando as partículas em estruturas ordenadas ou mesmo auto-organizadas. Aplicações futuras podem usar essa organização para produzir materiais complexos com funções integradas, como sensores ativos para NIR ou novos tipos de componentes eletrônicos. Na prática, esses materiais podem aumentar a eficiência de sensores e células solares ou facilitar novos métodos de transmissão de dados. Ao mesmo tempo, a pesquisa também gera insights fundamentais para outras áreas de nanociência, como catálise ou materiais quânticos.
As descobertas da equipe só foram possíveis graças a uma combinação de métodos sintéticos, experimentais e teóricos de última geração. Os pesquisadores não foram apenas capazes de controlar com precisão a estrutura das nanopartículas, mas também investigaram o papel dos cantos ativos em detalhes. Experimentos sobre distribuição de defeitos atômicos e análise de composição foram combinados com a modelagem teórica para obter uma compreensão abrangente das propriedades do materials.
