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Vibrações atómicas em nanomateriais

15.03.16

 



Pesquisadores da ETH mostraram pela primeira vez o que acontece com as vibrações atómicas quando os materiais são reduzidos à nano escala e como este conhecimento pode ser usado para sistematicamente criar nano materiais para diferentes aplicações. Através de experimentação, simulação e teoria eles explicaram  como e porquê as vibrações de um nano material (q) pode interagir fortemente com electrões (k e K'). Aqui.

Todos os materiais são feitos de átomos, que vibram. Estas vibrações, ou fonões, são responsáveis, por exemplo, no modo como a carga e o calor são transportados em materiais. Vibrações de metais, semicondutores e isoladores estão bem estudados; no entanto, os materiais agora estão a ser reduzidos a nano tamanho de modo a obter melhores performances a aplicações como écrans, sensores, baterias e membranas catalíticas. O que acontece às vibrações num material à escala nano era algo que até agora não era compreendido.

Numa recente publicação na Nature, a Professora Vanessa Wood e os seus colegas explicam o que acontece às vibrações atómicas quando os materiais estão na escala nano para diferentes aplicações.

O artigo mostra que quando os materiais são feitos mais pequenos que 10 a 20 nanómetros - ou 5,000 vezes mais pequeno que um cabelo humano - as vibrações do camada atómica mais externa da superfície da nano partícula são grandes e são de extrema importância no modo como o material se comporta.

'Para alguma aplicações, como a catálise, termo electricidade ou supercondutividade, estas grandes vibrações podem ser boas, mas para outras aplicações como LED's ou painéis solares, estas vibrações não são desejáveis,' explica Wood.

De facto, o artigo explica porque as nano partículas para painéis solares não tenham até agora obtido resultados satisfatórios. Os pesquisadores mostraram, usando tanto a experimentação como a teoria, que as vibrações da superfície interagem com os electrões, reduzindo a corrente de fotões nas células solares.

'Agora que provámos que as vibrações de superfície são importantes, podemos sistematicamente desenhar materiais que suprimam ou reduzam estas vibrações,' disse Wood.

Melhorando Células Solares
O grupo de pesquisa de Wood trabalhou durante muito tempo num tipo particular de nano material - nano cristais coloidais - semicondutores com um diâmetro de 2 a 10 nanómetros. Estes materiais são interessantes porque suas propriedades ópticas e eléctricas estão dependentes do tamanho, que pode ser facilmente alterado durante a sua sintese.

Estes materiais são agora usadas comercialmente como emissores de luz vermelha e verde em TV's de LED e estão a ser exploradas como possíveis materiais de baixo custo, para uma solução de processamento de células solares. Os pesquisadores notaram que colocando certos átomos à volta da superfície do nano cristal, poderá melhorar a performance das células solares.

A razão pela qual tudo isto funcionou ainda não estava bem entendida. O artigo publicado na Nature dá agora a resposta: uma capa dura de átomos pode suprimir as vibrações e a sua interacção com electrões. Isto significa mais corrente eléctrica e maior eficiência da célula solar.

Muita ciência para o estudo da Nano escala
As experiências foram conduzidas pelo Professor Wood em Zurique no Swiss Spallation Neutron Source no Paul Scherrer Institute. Ao observar como os neutrões espalham átomos no material, é possível quantificar como os átomos vibram num material. Para entender as medidas dos neutrões, simulações das vibrações atómicas correram em Lugano no Swiss National Supercomputing Center (CSCS).

Wood ainda refere que, 'sem acesso a grandes instalações, este trabalho não teria sido possível. Nós somos incrivelmente afortunados de ter aqui na Suíça estas instalações de classe mundial.'

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