Imagine um futuro onde as fábricas possam produzir materiais e compostos mais rapidamente, com custos mais baixos e com menos etapas de produção. Imagine seu laptop processando dados complexos em segundos ou um supercomputador aprendendo e se adaptando com a mesma eficiência do cérebro humano. Essas possibilidades dependem de um fator fundamental: como os elétrons se comportam dentro do material. Pesquisadores da Universidade de Auburn desenvolveram agora um material inovador que permite aos cientistas controlar com precisão essas minúsculas partículas carregadas. Suas descobertas foram publicadas em Cartas de Materiais ACSdescreve como a equipe conseguiu um acoplamento sintonizável entre complexos de moléculas metálicas isoladas, chamadas precursores de elétrons solvatados, nos quais os elétrons não estão ligados a átomos específicos, mas se movem livremente pelo espaço aberto.
Os elétrons estão no centro de quase todos os processos químicos e tecnológicos. Eles impulsionam a transferência de energia, a ligação e a condutividade elétrica e são fundamentais para a síntese química e a eletrônica moderna. Nas reações químicas, os elétrons facilitam os processos redox, a formação de ligações e a atividade catalítica. No mundo da tecnologia, gerenciar como os elétrons se movem e interagem é fundamental para tudo, desde circuitos eletrônicos e sistemas de inteligência artificial até células solares e computadores quânticos. Normalmente, os elétrons estão confinados dentro dos átomos, o que limita seus usos potenciais. No entanto, em materiais chamados compostos eletrônicos, os elétrons se movem de forma independente, abrindo a porta para novas capacidades extraordinárias.
“Ao aprender como controlar esses elétrons livres, podemos projetar materiais que podem fazer coisas nunca imaginadas na natureza”, explicou o Dr. Evangelos Miliordos, professor associado de química na Universidade de Auburn e autor sênior do estudo baseado em modelagem computacional avançada.
Para conseguir isso, a equipe de Auburn criou estruturas de materiais inovadoras chamadas elétrons ancorados na superfície, anexando precursores de elétrons solvatados a superfícies estáveis, como diamante e carboneto de silício. Esta configuração torna as propriedades eletrônicas do composto eletrônico duráveis e ajustáveis. Ao alterar a forma como as moléculas são organizadas, os eletrões podem agrupar-se em “ilhas” isoladas que se comportam como qubits usados na computação avançada, ou podem espalhar-se em “oceanos” extensos que facilitam reações químicas complexas.
Essa versatilidade confere à descoberta um potencial transformador. Uma versão poderia levar ao desenvolvimento de computadores quânticos poderosos, capazes de resolver problemas que a tecnologia atual não consegue. Outro poderia fornecer a base para catalisadores de ponta que aceleram reações químicas fundamentais, revolucionando potencialmente a forma como os combustíveis, os produtos farmacêuticos e os materiais industriais são produzidos.
“À medida que a nossa sociedade continua a ultrapassar os limites da tecnologia actual, a necessidade de novos materiais está a explodir”, disse o Dr. Marcelo Kuroda, professor associado de física na Universidade de Auburn. “Nosso trabalho demonstra uma nova abordagem aos materiais, proporcionando oportunidades para pesquisas fundamentais sobre interações de matéria e aplicações práticas.”
As primeiras versões de compostos eletrônicos eram instáveis e difíceis de escalar. Ao depositá-los diretamente em superfícies sólidas, a equipe de Auburn superou esses obstáculos e propôs uma série de estruturas materiais que podem ser transferidas de modelos teóricos para dispositivos do mundo real. “Esta é uma ciência básica, mas tem implicações muito reais”, disse o Dr. Konstantin Klyukin, professor assistente de engenharia de materiais na Universidade de Auburn. “Estamos falando de tecnologias que podem mudar a forma como computamos e fazemos as coisas.”
A pesquisa teórica foi liderada por professores do Departamento de Química, Física e Engenharia de Materiais de Auburn. “Este é apenas o começo”, acrescentou Miliodos. “Ao aprender como domar os elétrons livres, podemos imaginar um futuro com computadores mais rápidos, máquinas mais inteligentes e novas tecnologias com as quais nunca sonhamos.”
O estudo, “Compostos Eletrônicos com Deslocalização de Elétrons Ajustáveis para Computação Quântica e Aplicações de Catálise”, também foi coautor dos estudantes de pós-graduação Andrei Evdokimov e Valentina Nesterova. Foi apoiado pela National Science Foundation e pela Auburn University Computing Resources.
