Tecnologia Científica

Cristais torcidos e flexíveis são essenciais para a produção de energia solar
Os resultados ajudarão 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.
Por Escola de Enfermagem da Duke University - 15/03/2021


Um contribuidor chave para como essas perovskitas de haleto criam e transportam eletricidade literalmente depende da forma como sua estrutura atômica octaédrica se torce e gira em forma de dobradiça. Crédito: ORNL / Jill Hemman

Pesquisadores da Duke University revelaram uma dinâmica molecular há muito escondida que fornece propriedades desejáveis ​​para aplicações de energia solar e energia térmica 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 dobradiça. Os resultados ajudarão 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 março na revista Nature Materials .

"Há um amplo interesse em perovskitas de haleto para aplicações de energia como fotovoltaica, termoelétrica, detecção e emissão de radiação optoeletrônica - todo o campo é incrivelmente ativo", disse Olivier Delaire, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais da Duke. "Embora entendamos que a suavidade desses materiais é importante para suas propriedades eletrônicas, ninguém sabia realmente como os movimentos atômicos 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 maciço que pode ser facilmente amassado, o que lhes dá a capacidade de tolerar defeitos e evitar rachaduras quando transformados em uma película fina.

Um tamanho, entretanto, não serve para todos, pois há uma grande variedade de receitas potenciais que podem formar uma perovskita. Muitas das receitas mais simples e mais estudadas incluem um halogênio - como cloro, flúor 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 octaédricos adjacentes.

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

"Esses movimentos estruturais são notoriamente difíceis de definir experimentalmente. A técnica escolhida é o espalhamento de nêutrons , que vem com imenso instrumento e esforço de análise de dados, e muito poucos grupos têm o comando sobre a técnica que Olivier e seus colegas têm", disse Volker Blum, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke, que faz modelagem teórica de perovskitas, mas não estava envolvido neste estudo. "Isso significa que eles estão em uma posição de revelar os fundamentos das propriedades dos materiais em perovskitas básicas que, de outra forma, seriam inacessíveis."
 
No estudo, Delaire e colegas do Laboratório Nacional de Argonne, do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia e da Universidade Northwestern revelam pela primeira vez importantes dinâmicas moleculares da perovskita halogeneto (CsPbBr 3 ) estruturalmente simples e comumente pesquisada .

Os pesquisadores começaram com um grande cristal único de perovskita de haleto de escala centimétrica, que é notoriamente difícil de crescer até esses tamanhos - uma das principais razões por que esse tipo de estudo dinâmico não foi alcançado antes. Eles então bombardearam o cristal com nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge e raios-X no Laboratório Nacional de Argonne. Ao medir como os nêutrons e os raios-X ricocheteavam nos cristais em vários ângulos e em diferentes intervalos de tempo, os pesquisadores descobriram como seus átomos constituintes se moviam ao longo do tempo.

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

"Por causa da forma como os átomos são organizados com motivos octaédricos compartilhando átomos de bromo como juntas, eles estão livres para ter essas rotações e curvas", disse Delaire. "Mas descobrimos que essas perovskitas halogenadas em particular são muito mais 'flexíveis' do que algumas outras receitas. Em vez de imediatamente voltarem à forma, elas retornam muito lentamente, quase mais como gelatina ou um líquido do que um cristal sólido convencional."

Delaire explicou que essa dança molecular de espírito livre é importante para entender muitas das propriedades desejáveis ​​das perovskitas halogenadas. Sua 'flexibilidade' impede que os elétrons se recombinem nos buracos dos quais os fótons que chegam os expulsaram, o que os ajuda a produzir muita eletricidade com a luz do sol. E provavelmente também torna difícil para a energia térmica viajar através 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 contém as características estruturais comuns à ampla família desses compostos, Delaire acredita que essas descobertas provavelmente se aplicam a uma grande variedade de perovskitas halogenadas. Por exemplo, ele cita perovskitas orgânicas-inorgânicas híbridas (HOIPs), que têm 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 é especial, 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 estão pesquisando atualmente. À medida que examinam enormes bancos de dados computacionais, a dinâmica que descobrimos pode ajudar a decidir quais perovskites seguir."

 

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