Átomos em ziguezague: cientistas desenvolvem material com alto potencial tecnológico
"Zip phases", materiais sintéticos combinando elementos químicos metálicos e não metálicos, poderão ser usados no futuro em eletrônica, armazenamento de energia, supercondutividade e sensores
Uma nova classe de materiais intermetálicos sintéticos, com estrutura atômica única e propriedades físicas com alto potencial tecnológico, foi desenvolvido por um consórcio internacional de pesquisadores, liderado por um brasileiro, com participação da USP. São as zip phases (do inglês Zigzag Intermetallic Phases), que combinam elementos químicos metálicos e não metálicos, organizados numa trama em ziguezague e apresentando comportamento magnético e supercondutividade a baixas temperaturas.
Embora a existência desses materiais já fosse prevista pelos cientistas na década de 1960, ela ainda não havia sido demonstrada experimentalmente. A pesquisa abre caminho para aplicações em eletrônica, armazenamento de energia, computação quântica, supercondutividade e sensores miniaturizados e bidimensionais, com potencial de alta resistência a corrosão e irradiação em ambientes extremos, como altas temperaturas. Os resultados do estudo são descritos em artigo publicado no periódico científico Advanced Materials.
“As zip phases são uma nova classe de compostos intermetálicos ternários [formados pela combinação de três metais diferentes] e sintéticos, caracterizados por um arranjo atômico ‘ziguezagueante’ e uma ordenação dualista. Elas podem se formar em duas variantes estruturais distintas: cúbica e hexagonal”, afirma o professor Matheus Tunes, da Montanuniversität Leoben, na Áustria, coordenador da pesquisa. “Esses materiais combinam comportamento metálico, ligações iônicas e padrões atômicos complexos. Foram sintetizados em sistemas que envolvem metais de transição e silício, como Nb–Si–Ni (nióbio, silício e níquel), Nb–Si–Co (nióbio, silício e cobalto), Ta–Si–Ni (tântalo, silício e níquel), V–Si–Ni (vanádio, silício e níquel) e Nb–Si–Fe (nióbio, silício e ferro)”, diz.
“Compostos intermetálicos são fases formadas pela combinação de dois ou mais metais, ou metal e semimetal, em proporções definidas, com estrutura cristalina ordenada e propriedades diferentes das dos elementos puros. Eles são obtidos principalmente por fusão dos elementos e posterior solidificação controlada ou por métodos como difusão no estado sólido e sinterização [aquecimento do material em pó para compactação]”.
Tunes aponta que suas principais características incluem alta dureza e resistência mecânica, elevado ponto de fusão, boa estabilidade térmica e química, mas geralmente baixa ductilidade, ou seja, frágil e que se rompe sem deformação. “No caso das zip phases, as técnicas de metalurgia do pó, como a Reactive Hot Pressing (RHP), são mais indicadas para obtenção de um material monofásico quase puro”, ressalta.
Sintetizar materiais
O pesquisador conta que a descoberta é resultado de mais de uma década de pesquisa, que começou durante seu mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais na Escola Politécnica (Poli) da USP, no laboratório do professor Cláudio Schön. “O conceito começou com estudos sobre fases ternárias no sistema Nb–Ni–Si e evoluiu durante as investigações no meu doutoramento no Reino Unido sobre as max phases, que são cerâmicas nanolaminadas com propriedades híbridas”, relata. “Sua fórmula geral contém um metal de transição, como titânio (Ti), nióbio (Nb) ou cromo (Cr), um elemento dos grupos 13 a 16 da tabela periódica, como alumínio (Al) ou Silício (Si), e carbono (C) ou nitrogênio (N).”
“Esses materiais possuem uma estrutura cristalina hexagonal com camadas alternadas de ligações metálicas e covalentes, combinando características típicas de metais, entre elas boa condutividade elétrica e térmica, alta tenacidade e usinabilidade, e de cerâmicas, tais como alta dureza, resistência à oxidação e estabilidade térmica”, afirma Tunes. “Entretanto, durante meu doutorado, eu observei que o carbono, nas max phases, causava instabilidades em altas temperaturas.”
Tunes salienta que teve a ideia de tentar sintetizar materiais similares às max phases, mas substituindo o carbono por um metal de transição. “Daí, partimos para tentar sintetizar a primeira zip phase, o composto intermetálico ternário Nb3SiNi2, com nióbio, silício e níquel, em sua forma pura”, ressalta. “Isso só foi possível com a aplicação da técnica de RHP, permitindo pela primeira vez a obtenção da Nb3SiNi2 zip phase monofásica, viabilizando sua caracterização detalhada.”
“As zip phases se destacam por uma ordenação dualista, ou seja, em duas variantes estruturais distintas, uma cúbica, do tipo diamante, e outra hexagonal nanolaminada. Sua estrutura atômica é complexa, apresentando células unitárias com até 96 átomos e padrões atômicos em ziguezague”, descreve o pesquisador. “Elas têm propriedades híbridas, que combinam características metálicas e iônicas, além de comportamento magnético e supercondutividade a baixas temperaturas. Por fim, possuem potencial para derivados 2D: estudos teóricos indicam que as zip phases hexagonais podem ser exfoliadas em camadas bidimensionais, semelhantes aos MXenes [materiais formados por uma única camada de átomos] derivados das max phases e do grafeno.”
De acordo com Tunes, as propriedades singulares das zip phases sugerem uma ampla gama de aplicações potenciais. “Entre elas, estão o uso em eletrônica de próxima geração e dispositivos inteligentes, materiais para baterias e armazenamento de energia, computação quântica e sensores magnéticos e também materiais para ambientes extremos e componentes estruturais avançados”, observa. “Além disso, a possibilidade de produzir derivados bidimensionais pode levar a avanços em eletrônica flexível e dispositivos multifuncionais.”
Colaboração internacional
O trabalho foi conduzido por um consórcio internacional liderado pelo Laboratório de Metalurgia em Ambientes Extremos no Departamento de Metalurgia da Montanuniversität Leoben (Áustria), sob coordenação do professor Matheus Tunes. Participaram também pesquisadores do Los Alamos National Laboratory e Pacific Northwest National Laboratory (Estados Unidos), University of Huddersfield (Reino Unido), KU Leuven (Bélgica), RWTH Aachen (Alemanha), Linköping University (Suécia), entre outras instituições.
“A Poli teve um papel fundamental nas fases iniciais da pesquisa e na validação dos cálculos termodinâmicos”, afirma Tunes. “O professor Schön e seu grupo contribuíram significativamente com estudos sobre fases intermetálicas no sistema Nb–Ni–Si, que serviram de base conceitual para o desenvolvimento do conceito de zip phases.” O artigo A New Family of Ternary Intermetallic Compounds with Dualistic Atomic Ordering – The ZIP Phases está disponível on-line e pode ser lido neste link.
Matéria: Júlio Bernardes | Jornal da USP.