Tecnologia Científica

Fazendo coisas
A Central de Crescimento de Cristais a Granel PARADIM fabrica os materiais de amanhã com a ajuda de alguns fornos muito especializados e muito quentes
Por Annie Prud'homme-Généreux - 26/12/2020


WILL KIRK / UNIVERSIDADE JOHNS HOPKINS

É uma entrega muito especial.

Cerca de uma vez por mês, os pesquisadores do PARADIM Bulk Crystal Growth Facility colocam um pequeno pacote pelo correio. Eles embrulham a preciosa carga em plástico bolha e amendoim de embalagem, aplicam um adesivo "frágil" e escrevem "cristais minerais não tóxicos" no topo para descrever seu conteúdo. Carteiros e mulheres transportam o pacote por todo o país. Sem que eles saibam, estão transportando substâncias que - até poucos dias atrás - nunca existiram.

Isso vale a pena repetir. O conteúdo dessas caixas nunca havia ocorrido na história de 13,7 bilhões de anos do universo. Até agora.

Produzidos no andar térreo do Centro Bloomberg de Física e Astronomia no campus Homewood da Universidade Johns Hopkins, esses materiais constituirão a armadura corporal, painéis solares, computadores quânticos, sensores e lasers da próxima geração.

Novo. Exótico. Cheio de possibilidades. Esse é o negócio do Bulk Crystal Growth Facility.

“A maioria das pessoas normalmente não pensa sobre isso, mas os materiais são a base de tudo em nossa vida”, explica Tyrel McQueen , o diretor da instalação. "Tudo é feito de alguma coisa. Os materiais são feitos de átomos e a razão pela qual eles se comportam dessa maneira é a maneira como esses átomos estão dispostos."

"MESMO QUE O POSICIONAMENTO DOS ÁTOMOS SEJA SUPER RÁPIDO, DIGAMOS UMA VEZ A CADA [QUATRILIONÉSIMO DE SEGUNDO], AINDA ASSIM VOCÊ LEVARÁ VOCÊ NA ORDEM DA IDADE DO UNIVERSO PARA CONSTRUIR UMA CHAVE DE FENDA COM ESSA ABORDAGEM."

Tyrel McQueen
Diretor, Unidade de Crescimento Bulk Crystal da PARADIM

Ele menciona o osso, seu exemplo favorito. "O osso é um material notável porque é simultaneamente forte e flexível. Normalmente, as coisas muito fortes são frágeis - pense em um prato de cerâmica - enquanto as coisas maleáveis ​​são macias e fáceis de dobrar. Os ossos de alguma forma combinam essas duas propriedades. E , sabemos por quê: é por causa da estrutura atômica do osso que não é aleatória, mas altamente estruturada. "

A equipe de McQueen desenvolve e sintetiza propositadamente substâncias com as propriedades desejadas. Equipado com equipamentos exclusivos de última geração, suas instalações permitem que os pesquisadores combinem átomos de novas maneiras para projetar os materiais de amanhã - materiais que tornarão as tecnologias mais rápidas, mais inteligentes e mais verdes.

O projeto começou há quatro anos, quando McQueen juntou forças com colegas da Cornell, Princeton e Clark Atlanta University. Eles propuseram uma facilidade de uso nacional, dando aos pesquisadores de todo o país acesso a uma experiência incomparável e equipamentos de ponta. Pesquisadores propõem projetos e, por meio de um processo competitivo, são convidados a utilizar as instalações. Financiado pela National Science Foundation no valor de $ 28 milhões, os fundadores chamaram a colaboração de PARADIM, abreviação de Plataforma para a Realização, Análise e Descoberta Acelerada de Materiais de Interface.

“Os usuários que vêm aqui podem ter um problema que só nós podemos ajudar”, diz Lucas Pressley, doutorando da PARADIM. "Ou, se os usuários puderem sintetizar seu novo material em um a dois anos, podemos fazê-lo em uma semana ou um mês."

Dois pesquisadores mascarados trabalham no laboratório PARADIM
IMAGEM CRÉDITO: WILL KIRK / JOHNS HOPKINS UNIVERSITY

Existem duas estratégias estabelecidas para sintetizar novos materiais. A primeira é estabelecer cada átomo de maneira controlada - uma impressora 3D em escala atômica. Mas, há um problema com essa estratégia. "Há um número assustadoramente grande de átomos em uma amostra do tamanho de uma chave de fenda", explica McQueen. "Mesmo que o posicionamento dos átomos seja super rápido, digamos uma vez a cada [quatrilionésimo de segundo], ainda assim você levará você na ordem da idade do universo para construir uma chave de fenda com essa abordagem." Claramente, embora esse nível de controle seja invejável, ele não é escalonável.

"A ANALOGIA QUE EU REALMENTE GOSTO É A DE UM CAMPO DE MILHO ONDE VOCÊ PODE VER FILEIRAS UNIFORMES INDO EM UMA DIREÇÃO. VOCÊ PODE PENSAR NESSAS PLANTAS DISPOSTAS EM FILEIRAS COMO O ARRANJO DE ÁTOMOS SE ELAS ESTIVEREM EM UM ÚNICO CRISTAL."

Lucas pressley

A outra opção é pegar grandes quantidades de materiais iniciais e derretê-los. Este é o processo usado para fazer aço. “Isso dá a você muito controle na escala da chave de fenda, mas não permite que você controle os átomos individuais”, diz McQueen.

Isso deixa uma lacuna interessante. "Como você faz algo do tamanho de uma chave de fenda com algum nível de controle atômico?" pergunta McQueen. É isso que PARADIM se propõe a fazer.

Ele faz isso crescendo cristais. Os átomos em um cristal se organizam em um padrão ordenado e repetitivo, e o fazem rapidamente. Uma experiência comum com esse fenômeno é observar o crescimento do gelo em uma janela. O padrão que observamos com nossos olhos ecoa o que está acontecendo na escala atômica.

“A analogia que eu realmente gosto é a de um campo de milho onde você pode ver fileiras uniformes indo em uma direção”, explica Pressley. "Você pode pensar nessas plantas dispostas em fileiras como o arranjo de átomos se elas estiverem em um único cristal." Essa matriz ordenada de átomos em um cristal torna mais fácil estudar o material e pode dar origem a propriedades emergentes. Essas novas propriedades podem, por sua vez, ser úteis na construção de eletrônicos, por exemplo, capturando o calor residual de um dispositivo e convertendo-o em eletricidade.

Então, como os pesquisadores cultivam cristais?

“Idealmente, você teria um simulador planetário”, ri Pressley sobre as condições extremas de calor e pressão necessárias para romper as ligações entre os átomos no material inicial. Uma vez derretido, o material é resfriado lentamente, dando aos átomos a chance de encontrar novos parceiros e se organizarem na configuração ordenada do cristal.

Na PARADIM, isso significa usar fornos - muitos fornos especializados. Alguns visam feixes de laser focalizados nos compostos iniciais; outros refletem o calor de lâmpadas potentes com espelhos; e outros induzem correntes oscilantes no material para aquecê-lo. As temperaturas podem chegar a 3.000 ° C (5.432 ° F) - o dobro da temperatura da lava havaiana.

“É um calor muito concentrado e confinado”, explica Mekhola Sinha, estudante de doutorado e pesquisador do PARADIM que ajudou a montar a instalação há quatro anos. "Aplicamos o calor a apenas uma pequena área para aquecer essa parte da amostra."

Pesquisadores de todo o país visitam o Bulk Crystal Growth Facility para acessar esses fornos exclusivos e aprender como usá-los. "O paradigma aqui não é apenas 'você nos envia uma amostra e nós lhe enviamos um cristal'", diz Pressley. "Há conhecimento adquirido trabalhando conosco. Você está aprendendo o processo e se tornando um cientista melhor como resultado dele."

“O PARADIGMA AQUI NÃO É APENAS 'VOCÊ NOS ENVIA UMA AMOSTRA E NÓS LHE ENVIAMOS UM CRISTAL'. HÁ CONHECIMENTO ADQUIRIDO TRABALHANDO CONOSCO. VOCÊ ESTÁ APRENDENDO O PROCESSO E SE TORNANDO UM CIENTISTA MELHOR COMO RESULTADO. "

Lucas pressley

Mas, na esteira da pandemia COVID-19, poucas pessoas estão por perto. O zumbido penetrante do sistema de ventilação que mantém o equipamento PARADIM frio agora é ensurdecedor. Surpreendentemente, isso não interrompeu as atividades da instalação.

"Muito do nosso equipamento, desde o primeiro dia, foi configurado para funcionar remotamente", diz McQueen. "Sempre oferecemos isso aos usuários. Eles quase sempre recusaram e optaram por fazer isso com suas próprias mãos."

Os fornos são equipados com câmeras e equipamentos de monitoramento que permitem aos pesquisadores de qualquer lugar do mundo ver o que está acontecendo - e controlá-lo - em tempo real.

“Depois que as amostras são carregadas [em uma fornalha], você pode ir para casa, sentar no sofá e executar o crescimento do cristal enquanto assiste à TV”, diz Pressley.

A equipe surgiu com formas ainda mais inovadoras de conduzir suas atividades remotamente. A cada verão, a PARADIM treina um grupo de pesquisadores - alunos e professores - nos métodos usados ​​para fazer e caracterizar novos materiais. Os participantes arregaçam as mangas e tentam um projeto de síntese de uma semana.

"Isso não poderia acontecer este ano", relata o estagiário de doutorado da PARADIM, Nicholas Ng. "O que dissemos a eles é que vou usar uma câmera Go Pro na minha cabeça. Vocês vão ver exatamente o que eu vejo com uma transmissão ao vivo. Vocês vão me manipular. Vocês vão dirigir minhas mãos e diga-me o que fazer. Diga-me quanto de cada elemento colocar, que tipo de tubo usar e o melhor curso de ação aqui. "

"Nossos participantes relataram que a escola teve muito sucesso", disse McQueen.

Ng, que gosta de trabalhar com equipamentos exclusivos, preparou um pitch para atrair colegas para a PARADIM. Com um sorriso malicioso, ele admite: "Eu digo a eles, 'venham atingir seus complexos com o poder do Sol em uma caixinha'."

 

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