Tecnologia Científica

Cientistas descobrem uma mudança estrutural surpreendente no a³xido meta¡lico a baixa temperatura
Os cientistas fizeram uma descoberta surpreendente sobre asmudanças estruturais que ocorrem quando um desses materiais éresfriado abaixo da temperatura do MIT .
Por Andrea Manning - 04/02/2022


Formas onduladas semelhantes a hastes observadas em dados de espalhamento de raios-X. Crédito: Jared Allred/Universidade do Alabama

Quando a águaferve, ela se converte em outra fase, o vapor. Tais transições são comuns na natureza e frequentemente estudadas em laboratórios cienta­ficos.

Um de particular interesse para os cientistas éa transição de um metal para um isolante (MIT), que pode ocorrer em alguns materiais em várias temperaturas. Os metais conduzem eletricidade. Isoladores não. Os cientistas estãoprocurando explorar a mudança de metal para isolante e vice-versa para muitas aplicações potenciais, incluindo eletra´nica de baixa potaªncia, dispositivos especializados para monitorarmudanças de temperatura em ambientes industriais e janelas inteligentes/vidro inteligente.

Cientistas do Laborata³rio Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), da Universidade do Alabama e da Universidade da Califórnia em Los Angeles fizeram uma descoberta surpreendente sobre asmudanças estruturais que ocorrem quando um desses materiais éresfriado abaixo da temperatura do MIT . Esse material éo dia³xido de vana¡dio (VO 2 ) ao qual a equipe de pesquisa adicionou quantidades variadas de outro elemento, o molibdaªnio.

"Nossos resultados demonstraram que pequenas distorções estruturais se formam dentro das amostras abaixo da temperatura do MIT", disse o fa­sico saªnior de Argonne, Ray Osborn, da divisão de Ciência dos Materiais. "Essas distorções são formas bidimensionais, ou seja, planos com comprimento e largura, mas essencialmente sem espessura. E, no entanto, em média, a estrutura tridimensional geral da amostra permanece intacta."

O MIT em dia³xido de vana¡dio puro foi relatado pela primeira vez em 1959. a‰ um dos poucos materiais que sofre essa transição próxima a  temperatura ambiente, o que éaltamente desejável para aplicações prática s. Sessenta anos após a descoberta, o mecanismo por trás da transição permanece um mistanãrio. A equipe procurou entender melhor a física do dia³xido de vana¡dio incorporando molibdaªnio na estrutura.

"Como qua­mico, estou interessado em entender o efeito no MIT da modificação química do a³xido de vana¡dio pela adição de elementos como o molibdaªnio", disse Jared Allred, professor assistente da Universidade do Alabama.

Amedida que a equipe adicionava mais e mais molibdaªnio ao dia³xido de vana¡dio, o sinal em seus dados indicando o MIT tornou-se cada vez menos pronunciado atéquase desaparecer. Esse ponto ocorreu quando 19% dos a¡tomos de vana¡dio foram substitua­dos por molibdaªnio. Junto com essa queda no sinal do MIT houve um decla­nio na temperatura em que aconteceu. Essa temperatura estava próxima da temperatura ambiente para o dia³xido de vana¡dio puro e caiu para menos 190 graus Fahrenheit para a amostra com 19% de molibdaªnio.
 
O pesquisador da Universidade do Alabama, Matthew Davenport, preparou as amostras para o estudo. A equipe de pesquisa caracterizou a estrutura atômica das amostras usando espalhamento de raios-X na linha de luz 6-ID-D na Advanced Photon Source (APS) de Argonne, uma instalação do usua¡rio do DOE Office of Science. A equipe realizou essa análise em uma ampla faixa de temperatura, de quase zero absoluto a bem acima da temperatura ambiente.

"Os manãtodos que usamos no APS nos permitem reunir grandes volumes de dados e converter as descobertas em um modelo 3D detalhado da estrutura atômica em nanoescala", disse Osborn. A equipe capturou várias centenas de milhares de imagens para cada amostra a 10 imagens por segundo. Para as amostras com 19% de molibdaªnio, formas inesperadas em forma de bastão apareceram nas imagens a cerca de menos 240 graus Fahrenheit, bem abaixo da temperatura do MIT.

"As hastes indicaram que novas estruturas bidimensionais surgem após o colapso da ordem tridimensional em microrregiaµes deste material", disse Allred. Apesar dessasmudanças nas microrregiaµes, a estrutura tridimensional geral do material permanece intacta. Em um estudo mais aprofundado, a equipe também descobriu que essas estruturas bidimensionais não são perfeitamente planas.

Osborn descreveu o momento de abrir os olhos quando os membros da equipe viram pela primeira vez os resultados de espalhamento de raios-X: "Quase caa­mos de nossas cadeiras", disse ele. "Vimos nos resultados de espalhamento de raios-X um fena´meno que não deveria estar la¡: as hastes eram onduladas - algo que nunca ta­nhamos visto antes. A ondulação acabou sendo um sinal de que essas folhas de fato não eram perfeitas, planos bidimensionais."

Para entender melhor o mecanismo por trás desses resultados, a equipe usou uma técnica relativamente nova de espalhamento de raios-X para análise de dados, conhecida como análise de função de distribuição de pares de diferenças 3D. Essa abordagem permitiu que a equipe visse a estrutura diretamente em escala atômica, mostrando como os a¡tomos distorcem os planos 2D no material quando abaixo da temperatura do MIT.

"Na³s não resolvemos esse problema original - a questãosobre o mecanismo do MIT no dia³xido de vana¡dio ", admitiu Allred. No entanto, ao sondar possa­veis explicações, este trabalho deve levar a um modelo fa­sico mais completo para o MIT, e esse entendimento pode ajudar a perceber o potencial comercial desse material em dispositivos sensa­veis a  temperatura e sistemas energeticamente eficientes.

Um artigo sobre esta pesquisa intitulado "Fra¡gil 3D Order in V 1−x Mo x O 2 " apareceu na Physical Review Letters.

 

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