Fio metálico mais fino possível é descoberto através de simulações computacionais

Usando simulações computacionais baseadas em primeiros princípios, cientistas descobriram o fio metálico mais fino possível e identificaram diversos outros materiais unidimensionais com propriedades potencialmente úteis para aplicações em microeletrônica, biossensores e catálise.

Materiais unidimensionais, como fios ou tubos de átomos alinhados, são um dos produtos mais intrigantes da nanotecnologia, possuindo propriedades elétricas, magnéticas e ópticas únicas. Apesar do destaque dos nanotubos de carbono, a dificuldade de fabricação controlada tem impulsionado a busca por outros materiais com propriedades similares, mas mais fáceis de manipular.

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Chiara Cignarella e sua equipe da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, recorreram a simulações computadorizadas para decompor diversos cristais tridimensionais conhecidos, buscando aqueles que, com base em suas propriedades estruturais e eletrônicas, poderiam ser facilmente “esfoliados” para formar estruturas unidimensionais estáveis.

Fio metálico mais fino de carbono e cobre – Os pesquisadores iniciaram sua busca em uma coleção de mais de 780 mil cristais descritos em bancos de dados, selecionando aqueles coesos por forças de van der Waals. Aplicando um algoritmo que avaliava a organização espacial dos átomos, eles identificaram estruturas semelhantes a fios e calcularam a energia necessária para separar essas estruturas 1-D do cristal.

Entre os 800 materiais 1-D identificados, 14 foram selecionados como os melhores candidatos. Destes, quatro se destacaram: dois metais e dois semimetais. Um dos mais promissores é o fio metálico CuC₂, uma cadeia linear de dois átomos de carbono e um átomo de cobre, considerado o nanofio metálico mais fino e estável a 0 K descoberto até agora.

“É realmente interessante porque não se esperaria que um fio real de átomos ao longo de uma única linha fosse estável na fase metálica,” disse Cignarella.

Outros nanomateriais promissores – Além do CuC₂, a equipe descobriu que esse nanofio metálico pode ser esfoliado a partir de três cristais diferentes (NaCuC₂, KCuC₂ e RbCuC₂), conhecidos experimentalmente. A esfoliação desses cristais requer pouca energia, e a cadeia pode ser dobrada mantendo suas propriedades metálicas, tornando o nanofio interessante para a eletrônica flexível.

Outros materiais promissores incluem o semimetal Sb₂Te₂, cujas propriedades podem permitir o estudo de isolantes excitônicos, um estado exótico da matéria previsto há 50 anos, mas nunca observado. Também foram destacados o Ag₂Se₂, outro semimetal, e o TaSe₃, um composto já esfoliado em nanofios em experimentos anteriores.

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Próximos passos – A equipe planeja agora colaborar com experimentalistas para sintetizar os materiais e confirmar suas propriedades. Além disso, buscam aprimorar as simulações para entender como os nanofios metálicos e semimetálicos transportam cargas elétricas e como se comportam em diferentes temperaturas, aspectos fundamentais para aplicações práticas.

Artigo: Searching for the Thinnest Metallic Wire
Autores: Chiara Cignarella, Davide Campi, Nicola Marzari
Revista: ACS Nano
DOI: 10.1021/acsnano.3c12802