Cientistas chineses recentemente conseguiram a fabricação de metais de camada de átomo único com uma espessura de apenas um milionésimo da espessura de uma folha de papel A4, estabelecendo um novo recorde para os materiais metálicos mais finos. Isso marca a primeira realização mundial de formas bidimensionais estáveis de metais não-camadas.
Publicada na Nature na quinta-feira (13), esta pesquisa do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências eleva a espessura de materiais metálicos 2D à escala angstrom (1 é igual a 0,1 nanômetro), abrindo novas possibilidades para a eletrônica de última geração, computação quântica e catálise de alta eficiência, disse Zhang Guangyu, autor correspondente do estudo.
"Materiais 2D são substâncias especiais com apenas uma ou algumas camadas atômicas. Seus elétrons são confinados para se moverem dentro de um plano 2D, o que lhes garante extraordinária condutividade, transparência e resistência mecânica devido ao efeito de confinamento quântico", explicou Zhang, pesquisador do Instituto de Física.
Desde a descoberta do grafeno em 2004, cientistas identificaram centenas de materiais 2D. Essas "películas finas milagrosas no mundo material" são amplamente usadas em telas flexíveis, transistores ultrarrápidos e dispositivos quânticos.
No entanto, todos os materiais 2D existentes são derivados de cristais em camadas, como bolos de camadas facilmente descascáveis, enquanto 97,5% dos materiais no mundo material, incluindo metais não em camadas, lembram "biscoitos comprimidos" devido às suas estruturas atômicas 3D fortemente ligadas. Descascar uma única camada atômica de tais materiais era considerado quase impossível, como Zhang vividamente analogou.
"Materiais em camadas tradicionais são como bolos de camadas conectados por fracas forças de van der Waals entre as camadas, enquanto átomos de metal são unidos por fortes ligações metálicas, semelhantes a grãos compactados em um biscoito comprimido", explicou Zhang, destacando o principal desafio na fabricação de metal 2D.
A equipe de Zhang desenvolveu uma técnica inovadora de "compressão de van der Waals". Ao derreter metais como bismuto e estanho e usar dissulfeto de molibdênio atomicamente plano como uma "bigorna", eles alcançaram uma modelagem precisa num plano de 1 centímetro quadrado. "Os filmes metálicos produzidos por esse método medem de 6,3 a 9,2 em espessura — equivalente a achatar um cubo de metal de três metros numa única camada que poderia cobrir toda a cidade de Beijing", enfatizou Zhang.
As amostras de metal 2D, protegidas por camadas de encapsulamento, permanecem estáveis no ar por mais de um ano.
"Quando metais são comprimidos para espessura atômica, o movimento dos elétrons muda de 3D para 2D. É como transformar um oceano num filme de água, onde flutuações quânticas exóticas inevitavelmente emergem", comparou o coautor e pesquisador Du Luojun. Esses filmes de metal de condições extremas servirão como novas plataformas para estudar efeitos Hall quânticos, transições de fase topológicas e outros tópicos de fronteira.
A combinação de espessura em escala atômica e alta condutividade nesses metais 2D permite aplicações como eletrodos flexíveis transparentes para telas de telefone dobráveis mais finas e duráveis. Na catálise, eles podem aumentar a eficiência da reação química em dezenas de vezes. Dispositivos feitos desses metais atomicamente finos podem reduzir os volumes de chips em mil vezes, ao mesmo tempo em que reduzem o consumo de energia para 1% dos níveis atuais.
"Se metais 3D moldaram a base material da civilização humana, metais 2D podem definir a próxima era tecnológica", enfatizou Zhang. Esses materiais podem levar a aplicações revolucionárias, como dispositivos supercondutores de temperatura ambiente, biochips ultrassensíveis e memória subnanométrica. A equipe agora está desenvolvendo técnicas de fabricação de ligas metálicas 2D para fornecer materiais críticos para campos estratégicos como comunicações 6G e computação quântica.
Os revisores da Nature explicaram que este estudo "abre um importante campo de pesquisa sobre metais 2D isolados" e "representa um grande avanço no estudo de materiais 2D".
