Pesquisadores da Duke University revelaram uma dina¢mica molecular hámuito escondida que fornece propriedades desejáveis ​​para aplicações de energia solar e energia tanãrmica para uma classe de materiais chamada perovskita de haleto.

Um contribuidor chave para como esses materiais criam e transportam eletricidade literalmente depende da maneira como sua estrutura atômica se torce e gira em forma de dobradia§a. Os resultados ajudara£o os cientistas de materiais em sua busca para adaptar as receitas químicas desses materiais para uma ampla gama de aplicações de uma forma ecologicamente correta.

Os resultados aparecem online em 15 de mara§o na revista Nature Materials .

"Ha¡ um amplo interesse em perovskitas de haleto para aplicações de energia como fotovoltaica, termoelanãtrica, detecção e emissão de radiação optoeletra´nica - todo o campo éincrivelmente ativo", disse Olivier Delaire, professor associado de engenharia meca¢nica e ciência dos materiais da Duke. "Embora entendamos que a suavidade desses materiais éimportante para suas propriedades eletra´nicas, ninguanãm sabia realmente como os movimentos ata´micos que descobrimos sustentam esses recursos."

As perovskitas são uma classe de materiais que - com a combinação certa de elementos - crescem em uma estrutura cristalina que os torna particularmente adequados para aplicações de energia. Sua capacidade de absorver luz e transferir sua energia de forma eficiente os torna um alvo comum para pesquisadores que desenvolvem novos tipos de células solares, por exemplo. Eles também são macios, como o ouro macia§o que pode ser facilmente amassado, o que lhes da¡ a capacidade de tolerar defeitos e evitar rachaduras quando transformados em uma pela­cula fina.

Um tamanho, entretanto, não serve para todos, pois háuma grande variedade de receitas potenciais que podem formar uma perovskita. Muitas das receitas mais simples e mais estudadas incluem um halogaªnio - como cloro, flaºor ou bromo - dando-lhes o nome de perovskitas de haleto. Na estrutura cristalina das perovskitas, esses haletos são as juntas que unem os motivos cristalinos octaanãdricos adjacentes.

Embora os pesquisadores saibam que esses pontos de piva´ são essenciais para criar as propriedades de uma perovskita, ninguanãm foi capaz de ver como eles permitem que as estruturas ao seu redor se tora§am, girem e dobrem sem quebrar, como um molde de gelatina sendo vigorosamente agitado.

"Esses movimentos estruturais são notoriamente difa­ceis de definir experimentalmente. A técnica escolhida éo espalhamento de naªutrons , que vem com imenso instrumento e esfora§o de análise de dados, e muito poucos grupos tem o comando sobre a técnica que Olivier e seus colegas tem", disse Volker Blum, professor de engenharia meca¢nica e ciência dos materiais na Duke, que faz modelagem tea³rica de perovskitas, mas não estava envolvido neste estudo. "Isso significa que eles estãoem uma posição de revelar os fundamentos das propriedades dos materiais em perovskitas ba¡sicas que, de outra forma, seriam inacessa­veis."

No estudo, Delaire e colegas do Laborata³rio Nacional de Argonne, do Laborata³rio Nacional de Oak Ridge, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia e da Universidade Northwestern revelam pela primeira vez importantes dina¢micas moleculares da perovskita halogeneto (CsPbBr 3 ) estruturalmente simples e comumente pesquisada .

Os pesquisadores começam com um grande cristal aºnico de perovskita de haleto de escala centimanãtrica, que énotoriamente difa­cil de crescer atéesses tamanhos - uma das principais razões por que esse tipo de estudo dina¢mico não foi alcana§ado antes. Eles então bombardearam o cristal com naªutrons no Laborata³rio Nacional de Oak Ridge e raios-X no Laborata³rio Nacional de Argonne. Ao medir como os naªutrons e os raios-X ricocheteavam nos cristais em vários a¢ngulos e em diferentes intervalos de tempo, os pesquisadores descobriram como seus a¡tomos constituintes se moviam ao longo do tempo.

Depois de confirmar sua interpretação das medições com simulações de computador, os pesquisadores descobriram o quanto ativa a rede cristalina realmente anã. Motivos octaanãdricos de oito lados ligados uns aos outros por meio de a¡tomos de bromo foram pegos se torcendo coletivamente em doma­nios semelhantes a placas e se curvando constantemente para frente e para trás de uma maneira muito fluida.

"Por causa da forma como os a¡tomos são organizados com motivos octaanãdricos compartilhando a¡tomos de bromo como juntas, eles estãolivres para ter essas rotações e curvas", disse Delaire. "Mas descobrimos que essas perovskitas halogenadas em particular são muito mais 'flexa­veis' do que algumas outras receitas. Em vez de imediatamente voltarem a  forma, elas retornam muito lentamente, quase mais como gelatina ou um la­quido do que um cristal sãolido convencional."

Delaire explicou que essa dança molecular de espa­rito livre éimportante para entender muitas das propriedades desejáveis ​​das perovskitas halogenadas. Sua 'flexibilidade' impede que os elanãtrons se recombinem nos buracos dos quais os fa³tons que chegam os expulsaram, o que os ajuda a produzir muita eletricidade com a luz do sol. E provavelmente também torna difa­cil para a energia tanãrmica viajar atravanãs da estrutura cristalina , o que permite que eles criem eletricidade a partir do calor por ter um lado do material muito mais quente do que o outro.

Como a perovskita usada no estudo - CsPbBr 3 - tem uma das receitas mais simples, mas já contanãm as caracteri­sticas estruturais comuns a  ampla familia desses compostos, Delaire acredita que essas descobertas provavelmente se aplicam a uma grande variedade de perovskitas halogenadas. Por exemplo, ele cita perovskitas orga¢nicas-inorga¢nicas ha­bridas (HOIPs), que tem receitas muito mais complicadas, bem como variantes de perovskita dupla sem chumbo que são mais ecologicamente corretas.

"Este estudo mostra por que essa estrutura de perovskita éespecial, mesmo nos casos mais simples", disse Delaire. "Essas descobertas muito provavelmente se estendem a receitas muito mais complicadas, que muitos cientistas de todo o mundo estãopesquisando atualmente. Amedida que examinam enormes bancos de dados computacionais, a dina¢mica que descobrimos pode ajudar a decidir quais perovskites seguir."