Físicos transformaram diamante em metal

 

nano-agulha diamante
© Amit Banerjee (Universidade de Kyoto, Kyoto, Japão), Yang Lu (Universidade Municipal de Hong Kong, Kowloon, Hong Kong), Ming Dao (Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Cambridge, MA) e Subra Suresh (Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura, República de Cingapura)

Imagem do microscópio eletrônico de varredura de uma nano-agulha de diamante sujeita a deformação por flexão elástica


Cientistas russos e americanos provaram que as nanoagulhas de diamante, quando deformadas, se transformam de um isolante elétrico em um condutor de metal, mantendo todas as outras propriedades. Esta descoberta levará a novas aplicações tecnológicas para os materiais mais duros da natureza. Os resultados são publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Físicos da Skoltech, juntamente com colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MTI), mostraram que uma simples dobra de nanoagulhas de diamante pode transformar um diamante de um isolador elétrico em um condutor de metal em temperatura ambiente. Quando a tensão é liberada, o material retorna ao seu estado original.
Segundo os pesquisadores, isso permitirá no futuro conseguir um ajuste controlado das propriedades condutivas - desde isolante por semicondutor até altamente condutivo, ou metálico, sem degradar a qualidade do material diamantado.
Primeiramente, os autores realizaram uma simulação computacional da deformação reversível de nanoagulhas de diamante e, com base em seus resultados, criaram um algoritmo de aprendizado de máquina para a escolha ideal das propriedades e carga do material. Então, eles descobriram que, com uma certa geometria de nanoagulhas de cristal único, até mesmo uma simples dobra pode metalizar efetivamente o diamante em deformações abaixo dos níveis de destruição ou desestabilização da estrutura atômica ou transição de fase para grafite.
O método de deformar um material semicondutor (por exemplo, silício) para melhorar suas características tem sido usado na indústria de microeletrônica por mais de duas décadas. Porém, no caso do silício, estamos falando de uma deformação da ordem de um por cento.
Os autores do estudo atual foram muito mais longe - eles provaram que é possível alterar significativamente as propriedades elétricas, ópticas, térmicas e outras dos materiais, submetendo-os à deformação mecânica suficiente para alterar o arranjo geométrico dos átomos no cristal do material, mas não violando a própria estrutura cristalina. Em particular, eles foram capazes de dobrar e desdobrar nanoagulhas de diamante repetidamente em até dez por cento de deformação em temperatura ambiente sem destruição.
Para fazer isso, os pesquisadores estudaram uma propriedade do diamante conhecida como gap. Determina a facilidade com que os elétrons podem se mover pelo material, ou seja, caracteriza sua condutividade elétrica.
O diamante geralmente tem um gap muito grande de cerca de 5,6 elétron-volts. É um forte isolante elétrico que dificulta a passagem dos elétrons. No entanto, os pesquisadores teoricamente provam que o gap do diamante pode ser alterado de forma gradual, contínua e reversível, fornecendo uma ampla gama de propriedades elétricas - do isolante ao semicondutor até o metal.
“Descobrimos que você pode mudar continuamente o intervalo de banda de 5,6 elétron-volts para zero”, um dos autores do estudo, o professor Ju Li, citado em um comunicado à imprensa do MTI. “Em outras palavras, a deformação pode ser usada para criar um intervalo de banda diamante é o mesmo que silício, que é amplamente usado na eletrônica como um semicondutor, ou nitreto de gálio, que é usado para fazer LEDs. Você também pode fazer um diamante com um detector infravermelho capaz de detectar toda a gama de luz do infravermelho à ultravioleta do espectro." ...
De acordo com os autores, a capacidade de controlar a condutividade elétrica do diamante sem alterar sua composição química e estabilidade de rede fornece flexibilidade sem precedentes para o desenvolvimento de muitos dispositivos eletrônicos fundamentalmente novos e aplicações de detecção quântica, como células solares de banda larga, LEDs de alto desempenho e sensores quânticos.
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