Tecnologia Científica
Fazendo coisas
A Central de Crescimento de Cristais a Granel PARADIM fabrica os materiais de amanha£ com a ajuda de alguns fornos muito especializados e muito quentes
Por
Annie Prud'homme-Généreux - 26/12/2020
WILL KIRK / UNIVERSIDADE JOHNS HOPKINS
a‰ uma entrega muito especial.
Cerca de uma vez por maªs, os pesquisadores do PARADIM Bulk Crystal Growth Facility colocam um pequeno pacote pelo correio. Eles embrulham a preciosa carga em pla¡stico bolha e amendoim de embalagem, aplicam um adesivo "fra¡gil" e escrevem "cristais minerais não ta³xicos" no topo para descrever seu conteaºdo. Carteiros e mulheres transportam o pacote por todo opaís. Sem que eles saibam, estãotransportando substâncias que - atépoucos dias atrás - nunca existiram.
Isso vale a pena repetir. O conteaºdo dessas caixas nunca havia ocorrido na história de 13,7 bilhaµes de anos do universo. Atéagora.
Produzidos no andar tanãrreo do Centro Bloomberg de Fasica e Astronomia no campus Homewood da Universidade Johns Hopkins, esses materiais constituira£o a armadura corporal, painanãis solares, computadores qua¢nticos, sensores e lasers da próxima geração.
Novo. Exa³tico. Cheio de possibilidades. Esse éo nega³cio do Bulk Crystal Growth Facility.
“A maioria das pessoas normalmente não pensa sobre isso, mas os materiais são a base de tudo em nossa vidaâ€, explica Tyrel McQueen , o diretor da instalação. "Tudo éfeito de alguma coisa. Os materiais são feitos de a¡tomos e a razãopela qual eles se comportam dessa maneira éa maneira como esses a¡tomos estãodispostos."
"MESMO QUE O POSICIONAMENTO DOS aTOMOS SEJA SUPER RaPIDO, DIGAMOS UMA VEZ A CADA [QUATRILIONa‰SIMO DE SEGUNDO], AINDA ASSIM VOCaŠ LEVARa VOCaŠ 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 éum material nota¡vel porque ésimultaneamente forte e flexavel. Normalmente, as coisas muito fortes são fra¡geis - pense em um prato de cera¢mica - enquanto as coisas malea¡veis ​​são macias e fa¡ceis de dobrar. Os ossos de alguma forma combinam essas duas propriedades. E , sabemos por quaª: épor causa da estrutura atômica do osso que não éaleata³ria, 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 a¡tomos de novas maneiras para projetar os materiais de amanha£ - materiais que tornara£o as tecnologias mais rápidas, mais inteligentes e mais verdes.
O projeto começou háquatro 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 opaís acesso a uma experiência incompara¡vel e equipamentos de ponta. Pesquisadores propaµem 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, Ana¡lise e Descoberta Acelerada de Materiais de Interface.
“Os usuários que vão aqui podem ter um problema que são nospodemos ajudarâ€, diz Lucas Pressley, doutorando da PARADIM. "Ou, se os usuários puderem sintetizar seu novo material em um a dois anos, podemos fazaª-lo em uma semana ou um maªs."
Dois pesquisadores mascarados trabalham no laboratório PARADIM
IMAGEM CRa‰DITO: WILL KIRK / JOHNS HOPKINS UNIVERSITY
Existem duas estratanãgias estabelecidas para sintetizar novos materiais. A primeira éestabelecer cada a¡tomo de maneira controlada - uma impressora 3D em escala atômica. Mas, háum problema com essa estratanãgia. "Ha¡ um número assustadoramente grande de a¡tomos em uma amostra do tamanho de uma chave de fenda", explica McQueen. "Mesmo que o posicionamento dos a¡tomos seja super rápido, digamos uma vez a cada [quatrilionanãsimo de segundo], ainda assim vocêlevara¡ vocêna ordem da idade do universo para construir uma chave de fenda com essa abordagem." Claramente, embora essenívelde controle seja invejável, ele não éescalona¡vel.
"A ANALOGIA QUE EU REALMENTE GOSTO a‰ A DE UM CAMPO DE MILHO ONDE VOCaŠ PODE VER FILEIRAS UNIFORMES INDO EM UMA DIREa‡aƒO. VOCaŠ PODE PENSAR NESSAS PLANTAS DISPOSTAS EM FILEIRAS COMO O ARRANJO DE aTOMOS SE ELAS ESTIVEREM EM UM ašNICO CRISTAL."
Lucas pressley
A outra opção épegar grandes quantidades de materiais iniciais e derretaª-los. Este éo processo usado para fazer aa§o. “Isso da¡ a vocêmuito controle na escala da chave de fenda, mas não permite que vocêcontrole os a¡tomos individuaisâ€, diz McQueen.
Isso deixa uma lacuna interessante. "Como vocêfaz algo do tamanho de uma chave de fenda com algumnívelde controle ata´mico?" pergunta McQueen. a‰ isso que PARADIM se propaµe a fazer.
Ele faz isso crescendo cristais. Os a¡tomos em um cristal se organizam em um padrãoordenado e repetitivo, e o fazem rapidamente. Uma experiência comum com esse fena´meno éobservar o crescimento do gelo em uma janela. O padrãoque observamos com nossos olhos ecoa o que estãoacontecendo na escala atômica.
“A analogia que eu realmente gosto éa de um campo de milho onde vocêpode ver fileiras uniformes indo em uma direçãoâ€, explica Pressley. "Vocaª pode pensar nessas plantas dispostas em fileiras como o arranjo de a¡tomos se elas estiverem em um aºnico cristal." Essa matriz ordenada de a¡tomos em um cristal torna mais fa¡cil estudar o material e pode dar origem a propriedades emergentes. Essas novas propriedades podem, por sua vez, ser aºteis na construção de eletra´nicos, por exemplo, capturando o calor residual de um dispositivo e convertendo-o em eletricidade.
Então, como os pesquisadores cultivam cristais?
“Idealmente, vocêteria um simulador planetarioâ€, ri Pressley sobre as condições extremas de calor e pressão necessa¡rias para romper as ligações entre os a¡tomos no material inicial. Uma vez derretido, o material éresfriado lentamente, dando aos a¡tomos 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 la¢mpadas potentes com espelhos; e outros induzem correntes oscilantes no material para aquecaª-lo. As temperaturas podem chegar a 3.000 ° C (5.432 ° F) - o dobro da temperatura da lava havaiana.
“a‰ um calor muito concentrado e confinadoâ€, explica Mekhola Sinha, estudante de doutorado e pesquisador do PARADIM que ajudou a montar a instalação háquatro anos. "Aplicamos o calor a apenas uma pequena área para aquecer essa parte da amostra."
Pesquisadores de todo opaís visitam o Bulk Crystal Growth Facility para acessar esses fornos exclusivos e aprender como usa¡-los. "O paradigma aqui não éapenas 'vocênos envia uma amostra e noslhe enviamos um cristal'", diz Pressley. "Ha¡ conhecimento adquirido trabalhando conosco. Vocaª estãoaprendendo o processo e se tornando um cientista melhor como resultado dele."
“O PARADIGMA AQUI NaƒO a‰ APENAS 'VOCaŠ NOS ENVIA UMA AMOSTRA E Na“S LHE ENVIAMOS UM CRISTAL'. Ha CONHECIMENTO ADQUIRIDO TRABALHANDO CONOSCO. VOCaŠ ESTa APRENDENDO O PROCESSO E SE TORNANDO UM CIENTISTA MELHOR COMO RESULTADO. "
Lucas pressley
Mas, na esteira da pandemia COVID-19, poucas pessoas estãopor perto. O zumbido penetrante do sistema de ventilação que mantanãm o equipamento PARADIM frio agora éensurdecedor. 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 ma£os."
Os fornos são equipados com ca¢meras e equipamentos de monitoramento que permitem aos pesquisadores de qualquer lugar do mundo ver o que estãoacontecendo - e controla¡-lo - em tempo real.
“Depois que as amostras são carregadas [em uma fornalha], vocêpode ir para casa, sentar no sofa¡ e executar o crescimento do cristal enquanto assiste a TVâ€, diz Pressley.
A equipe surgiu com formas ainda mais inovadoras de conduzir suas atividades remotamente. A cada vera£o, a PARADIM treina um grupo de pesquisadores - alunos e professores - nos manãtodos usados ​​para fazer e caracterizar novos materiais. Os participantes arregaa§am as mangas e tentam um projeto de santese de uma semana.
"Isso não poderia acontecer este ano", relata o estagia¡rio de doutorado da PARADIM, Nicholas Ng. "O que dissemos a eles éque vou usar uma ca¢mera Go Pro na minha cabea§a. Vocaªs va£o ver exatamente o que eu vejo com uma transmissão ao vivo. Vocaªs va£o me manipular. Vocaªs va£o dirigir minhas ma£os 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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