Simulações de mecânica quântica criam material totalmente novo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/09/2010

Primeiro os pesquisadores usaram a mecânica quântica para prever as propriedades ópticas e eletrônicas de um material; a seguir eles sintetizaram o material e, finalmente, testaram experimentalmente o novo material.
[Imagem: NATCO]

Imagine especificar as propriedades de um novo material, um material como nenhum outro que exista, enviar essas especificações para um engenheiro e receber de volta um material completamente novo, exatamente com as qualidades que você precisa.

Pois foi justamente isto o que fez um grupo de pesquisadores europeus.

Eles projetaram e desenvolveram novos óxidos condutores transparentes (TCOs: Transparent Conductive Oxides) com especificações exatas.

Optoeletrônica

Primeiro os pesquisadores usaram a mecânica quântica para prever as propriedades ópticas e eletrônicas de um material; a seguir eles sintetizaram o material e, finalmente, testaram experimentalmente o novo material.

O resultado foram TCOs completamente novos, com uma vasta gama de aplicações potenciais incluindo sensores, células solares, janelas inteligentes e dezenas de outros usos científicos e industriais.

"No campo da optoeletrônica há uma grande necessidade de encontrar materiais melhores e mais baratos", diz Guy Garry, coordenador do projeto NATCO (Novel Advanced Transparent Conductive Oxides).

"A rota que tomamos foi primeiro fazer os cálculos para descobrir a melhor maneira de obter as propriedades que precisávamos. Quando fabricamos esses materiais, verificamos que suas propriedades eram exatamente aquelas que tínhamos calculado," descreve ele.

Óxidos condutores transparentes

Os TCOs (óxidos condutores transparentes) são materiais que combinam a transparência e a condutividade elétrica, qualidades que normalmente não são encontradas no mesmo material.

Esses óxidos têm múltiplas aplicações, como sensores, células fotovoltaicas, LEDs e filmes eletronicamente controláveis. Os TCOs já são utilizados em instrumentos científicos, DVDs, câmeras digitais, telefones celulares, monitores de computador e centenas de outros produtos.

Até recentemente, quase todos os TCOs eram baseados em um material chamado ITO, um óxido de índio dopado com uma pequena quantidade de estanho.

Os ITOs já provaram ser muito úteis, mas, segundo o Dr. Garry, eles têm duas deficiências sérias: a sua transparência não é muito boa, especialmente na faixa do infravermelho próximo, e o índio é um material raro e muito caro.

A equipe do Dr. Garry decidiu estudar um material completamente diferente, o cuprato de estrôncio, dopado com diferentes quantidades de bário. Cobre, bário e estrôncio são muito mais abundantes e muito mais baratos do que índio.

Simulações computacionais, aplicando a mecânica quântica, mostraram que a dopagem do cuprato de estrôncio com um pequeno percentual, em peso, de bário, produziria materiais eletricamente condutores e com boa transparência óptica.

Problemas mais desafiadores

Sintetizar os novos materiais obviamente foi um desafio à parte. Primeiramente eles foram produzidos na forma de uma massa cerâmica e, em seguida, para que pudessem ser usados em aplicações reais, foram cortados em camadas finas e depositados sobre substratos adequados.

Para o Dr. Garry, os resultados da modelagem de primeiros princípios, feita por meio da simulação da mecânica quântica, e a precisão obtida no processo de fabricação dos TCOs são tão encorajadores que ele pretende aplicá-los para problemas mais desafiadores.

"Nós queremos usar esta via para estudar materiais muito mais complicados," diz ele. "Por exemplo, investigar a ferroeletricidade para descobrir por que alguns materiais com a mesma estrutura são ferroelétricos, enquanto outros não são."