Pesquisadores liderados pela Universidade de Cambridge afirmam ter dado um primeiro passo para responder a essa pergunta. Usando microscopia de força atômica ultrassensível – que analisa materiais "sentindo-os" – os pesquisadores conseguiram medir a rigidez de moléculas semicondutoras flexíveis quando agrupadas, na escala de apenas algumas moléculas.

Suas descobertas , relatadas na revista Nature Communications , fornecem a primeira evidência experimental de que a rigidez mecânica de moléculas individuais contribui para a rigidez geral de um material. No futuro, o trabalho poderá ajudar os pesquisadores a entender se a flexibilidade impõe um limite fundamental à velocidade e à eficiência de futuros dispositivos eletrônicos flexíveis.

Ao contrário do silício, que é rígido e cristalino, os semicondutores orgânicos são feitos de moléculas à base de carbono que se auto-organizam em sólidos macios e flexíveis. Essa flexibilidade é essencial para telas enroláveis e dispositivos leves, mas pode ter um custo.

“Os componentes eletrônicos de silício são rápidos em parte porque o silício é muito rígido e organizado, facilitando a movimentação de cargas elétricas”, disse o Dr. Deepak Venkateshvaran, do Laboratório Cavendish de Cambridge, que liderou a pesquisa. “Durante décadas, construímos eletrônicos flexíveis sem realmente entender o que a flexibilidade significa em escala molecular e se ela poderia ter um impacto na capacidade desses materiais de conduzir eletricidade.”

Para explorar essa questão, Venkateshvaran e seus colegas usaram a microscopia de força atômica (AFM), que utiliza uma minúscula 'agulha' – com cerca de dez nanômetros de largura – para pressionar suavemente uma superfície e medir o quanto ela resiste à deformação.

“É um pouco como sentir o chão com uma vara”, disse Venkateshvaran. “Se o chão estiver firme, ela oferece resistência. Se estiver macio, cede. Estamos fazendo isso, mas na escala de alguns nanômetros – aproximadamente o tamanho de um punhado de moléculas.”

Controlando cuidadosamente a força aplicada aos semicondutores orgânicos pela "agulha" do AFM, os pesquisadores conseguiram mapear a rigidez em filmes finos de semicondutores orgânicos com uma resolução sem precedentes.

A equipe se concentrou em um semicondutor orgânico chamado DNTT, amplamente utilizado em transistores flexíveis. Eles compararam o DNTT com diversas moléculas intimamente relacionadas, cada uma modificada com diferentes "cadeias laterais" químicas ligadas ao mesmo núcleo molecular rígido.

Essas cadeias laterais atuam como um acolchoamento molecular. Cadeias mais longas e flexíveis aumentam o espaçamento entre os núcleos rígidos quando as moléculas se agrupam, alterando tanto a estrutura quanto a resposta mecânica do material.

As medições de AFM mostraram que os materiais com cadeias laterais mais longas e flexíveis eram mais macios quando pressionados perpendicularmente à superfície. O DNTT não substituído foi o mais rígido, enquanto as versões com cadeias laterais longas eram significativamente mais macias.

“As pessoas sempre presumiram que adicionar cadeias laterais flexíveis amoleceria um material, mas ninguém jamais havia medido esse efeito diretamente em nível molecular”, disse Venkateshvaran. “O efeito é sutil e só pode ser percebido com extrema atenção.”

Em seguida, os pesquisadores compararam seus dados experimentais com simulações computacionais. Os cálculos previram, independentemente, a mesma redução na rigidez quando cadeias laterais flexíveis foram introduzidas.

Venkateshvaran afirma que o resultado pode ser comparado a uma parede de tijolos. "Tradicionalmente, nos concentramos na 'argamassa': as forças fracas que mantêm as moléculas unidas", disse ele. "Mas nosso trabalho mostra que os próprios 'tijolos' também importam. Conseguimos separar a contribuição de moléculas individuais das forças coletivas entre elas. Isso nunca havia sido feito experimentalmente antes."

Essa distinção abre caminho para o projeto de propriedades mecânicas em nível molecular. Se os cientistas conseguirem ajustar a rigidez de moléculas individuais, poderão projetar materiais com comportamentos mecânicos ou eletrônicos específicos.

“Nosso resultado não prova que a rigidez controla o desempenho eletrônico em semicondutores orgânicos”, disse Venkateshvaran. “Mas nos dá as ferramentas para fazer essa pergunta da maneira correta pela primeira vez.”

Os experimentos revelam como a flexibilidade se manifesta em nanoescala e demonstram que ela pode ser medida de forma confiável. A longo prazo, o trabalho poderá contribuir para o desenvolvimento de eletrônicos flexíveis mais rápidos e eficientes, identificando o limite de flexibilidade que pode ser considerado excessivo.

A pesquisa foi financiada em parte pela Royal Society, pela Fundação Wiener-Anspach e pela União Europeia. Deepak Venkateshvaran é membro do Selwyn College, em Cambridge.