O laboratório de James Tour na Rice University desenvolveu um novo método conhecido como aquecimento Joule flash-within-flash (FWF) que pode transformar a síntese de materiais de estado sólido de alta qualidade, oferecendo um processo de fabricação mais limpo, rápido e sustentável. As descobertas foram publicadas na Nature Chemistry em 8 de agosto.

Tradicionalmente, sintetizar materiais de estado sólido tem sido um processo demorado e intensivo em energia, frequentemente acompanhado pela produção de subprodutos nocivos. Mas o FWF permite a produção em escala de gramas de diversos compostos em segundos, ao mesmo tempo em que reduz o consumo de energia, água e emissões de gases de efeito estufa em mais de 50%, definindo um novo padrão para a fabricação sustentável.

A pesquisa inovadora se baseia no desenvolvimento de aplicações de descarte de resíduos e reciclagem criativa da Tour em 2020, usando aquecimento instantâneo Joule, uma técnica que passa uma corrente através de um material moderadamente resistivo para aquecê-lo rapidamente a mais de 3.000 graus Celsius (mais de 5.000 graus Fahrenheit) e transformá-lo em outras substâncias.

"A chave é que antigamente nós estávamos sintetizando carbono e alguns outros compostos que poderiam ser condutores", disse Tour, o TT e WF Chao Professor de Química e professor de ciência de materiais e nanoengenharia. "Agora nós podemos sintetizar o resto da tabela periódica. É um grande avanço."

O sucesso do FWF está em sua capacidade de superar as limitações de condutividade dos métodos convencionais de aquecimento flash Joule. A equipe — incluindo o aluno de doutorado Chi Hun "Will" Choi e o autor correspondente Yimo Han, professor assistente de química, ciência dos materiais e nanoengenharia — incorporou um recipiente externo de aquecimento flash preenchido com coque metalúrgico e um reator interno semifechado contendo os reagentes alvo. O FWF gera calor intenso de cerca de 2.000 graus Celsius, que converte rapidamente os reagentes em materiais de alta qualidade por meio da condução de calor.

Esta nova abordagem permite a síntese de mais de 20 materiais exclusivos e seletivos de fase com alta pureza e consistência, de acordo com o estudo. A versatilidade e escalabilidade do FWF são ideais para a produção de materiais semicondutores de próxima geração, como diseleneto de molibdênio (MoSe2), diseleneto de tungstênio e seleneto de índio de fase alfa, que são notoriamente difíceis de sintetizar usando técnicas convencionais.

"Ao contrário dos métodos tradicionais, o FWF não requer a adição de agentes condutores, reduzindo a formação de impurezas e subprodutos", disse Choi.

Este avanço cria novas oportunidades em eletrônica, catálise, energia e pesquisa fundamental. Ele também oferece uma solução sustentável para a fabricação de uma ampla gama de materiais. Além disso, o FWF tem o potencial de revolucionar indústrias como a aeroespacial, onde materiais como o MoSe2 feito pelo FWF demonstram desempenho superior como lubrificantes de estado sólido.

"A FWF representa uma mudança transformadora na síntese de materiais", disse Han. "Ao fornecer um método escalável e sustentável para produzir materiais de estado sólido de alta qualidade, ela aborda barreiras na fabricação enquanto abre caminho para um futuro mais limpo e eficiente."