Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Viena descobriram por que às vezes ocorrem microexplosões espetaculares e outras vezes camadas ultrafinas de material permanecem quase intactas quando partículas carregadas são lançadas através delas.
Pode parecer mágico que alguns materiais resistam ao disparo de íons rápidos e carregados eletricamente sem exibir buracos depois. Esse fenômeno, que seria impossível no nível macroscópico, torna-se possível no nível das partículas individuais. No entanto, nem todos os materiais exibem esse comportamento. Nos últimos anos, vários grupos de pesquisa realizaram experimentos com resultados variados.
Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Viena conseguiram fornecer uma explicação detalhada de por que alguns materiais são perfurados e outros não. Isso é de particular interesse no processamento de membranas finas, que são projetadas para ter nanoporos feitos sob medida que podem prender, reter ou permitir a passagem de átomos ou moléculas específicas.
Materiais ultrafinos – grafeno e seus pares
“Hoje, existe toda uma gama de materiais ultrafinos que consistem em apenas uma ou algumas camadas atômicas”, diz o professor Christoph Lemell, do Instituto de Física Teórica da Universidade de Tecnologia de Viena. “Provavelmente o mais conhecido deles é o grafeno, um material feito de uma única camada de átomos de carbono. Mas a pesquisa também está sendo feita em outros materiais ultrafinos em todo o mundo hoje, como o dissulfeto de molibdênio”.
No grupo de pesquisa do professor Friedrich Aumayr no Instituto de Física Aplicada da Universidade de Tecnologia de Viena, esses materiais são bombardeados com projéteis muito especiais – íons altamente carregados. Eles pegam átomos, normalmente gases nobres como o xenônio, e retiram deles um grande número de elétrons. Isso cria íons com 30 a 40 vezes a carga elétrica. Esses íons são acelerados e então atingem a fina camada de material com alta energia.
“Isso resulta em efeitos completamente diferentes, dependendo do material”, diz Anna Niggas, física experimental do Instituto de Física Aplicada “Às vezes, o projétil penetra na camada de material sem nenhuma alteração perceptível no material como resultado. Às vezes, a camada de material ao redor do local do impacto também é completamente destruída, numerosos átomos são desalojados e um buraco com um diâmetro de alguns nanômetros é formado.”
A velocidade dos elétrons
Essas diferenças surpreendentes podem ser explicadas pelo fato de que não é o momento do projétil o principal responsável pelos buracos, mas sua carga elétrica. Quando um íon com múltiplas cargas positivas atinge a camada de material, ele atrai uma quantidade maior de elétrons e os leva consigo. Isso deixa uma região carregada positivamente na camada de material.
O efeito que isso tem depende de quão rápido os elétrons podem se mover neste material. “O grafeno tem uma mobilidade eletrônica extremamente alta. Portanto, essa carga positiva local pode ser equilibrada ali em pouco tempo. Os elétrons simplesmente fluem de outro lugar”, explica Christoph Lemell.
Em outros materiais, como o dissulfeto de molibdênio, no entanto, as coisas são diferentes: lá, os elétrons são mais lentos e não podem ser fornecidos a tempo de fora para o local do impacto. E assim ocorre uma miniexplosão no local do impacto: os átomos carregados positivamente, dos quais o projétil tirou seus elétrons, se repelem e voam para longe – e isso cria um poro de tamanho nanométrico.
“Conseguimos agora desenvolver um modelo que nos permite estimar muito bem em quais situações os buracos são formados e em quais não são – e isso depende da mobilidade do elétron no material e do estado de carga do projétil”, diz Alexander Sagar Grossek, primeiro autor da publicação na revista Nano Letters.
O modelo também explica o fato surpreendente de que os átomos arrancados do material se movem de forma relativamente lenta: a alta velocidade do projétil não importa para eles; eles são removidos do material por repulsão elétrica somente após o projétil já ter passado pela camada de material. E, nesse processo, nem toda a energia da repulsão elétrica é transferida para os átomos pulverizados – grande parte da energia é absorvida no restante do material na forma de vibrações ou calor.
Tanto os experimentos quanto as simulações foram realizados na Universidade de Tecnologia de Viena. A compreensão mais profunda resultante dos processos de superfície atômica pode ser usada, por exemplo, para equipar especificamente membranas com “nanoporos” personalizados. Por exemplo, pode-se construir uma “peneira molecular” ou manter certos átomos de maneira controlada. Existem até ideias de usar esses materiais para filtrar o CO2 do ar.
“Através de nossas descobertas, agora temos controle preciso sobre a manipulação de materiais em nanoescala. Isso fornece uma ferramenta totalmente nova para manipular filmes ultrafinos de maneira calculável com precisão pela primeira vez”, diz Alexander Sagar Grossek.
Publicado em 02/01/2023 13h59
Artigo original:
Estudo original: