Cristais quânticos podem desencadear a próxima revolução tecnológica
Imagine um futuro onde as fábricas possam criar materiais e compostos químicos 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 que o cérebro humano. Essas possibilidades dependem de um fator fundamental: como os elétrons se comportam dentro dos materiais. Os pesquisadores da Universidade de Auburn desenvolveram agora um tipo interessante de material que permite aos cientistas controlar com precisão essas minúsculas partículas carregadas. Suas descobertas foram publicadas Cartas de Materiais ACSdescrevem como a equipe alcançou o acoplamento sintonizável entre complexos moleculares de metais isolados, chamados de precursores de elétrons solvatados, onde os elétrons não estão ligados a átomos específicos, mas em vez disso se movem livremente em espaços abertos.
Os elétrons são fundamentais para quase todos os processos químicos e tecnológicos. Eles impulsionam a transferência de energia, a ligação e a condutividade elétrica, servindo de base tanto para a síntese química quanto para a eletrônica moderna. Nas reações químicas, os elétrons conduzem processos redox, formação de ligações e atividade catalítica. Na tecnologia, o gerenciamento de como os elétrons se movem e interagem é a base de tudo, desde circuitos eletrônicos e sistemas de IA até células solares e computadores quânticos. Em geral, os elétrons estão confinados aos átomos, o que limita suas aplicações potenciais. No entanto, em materiais chamados eletrodos, os elétrons podem se mover de forma independente, abrindo a porta para novas capacidades significativas.
“Ao aprender como controlar esses elétrons livres, podemos projetar materiais que fazem coisas que a natureza nunca pretendeu”, explica o Dr. Evangelos Miliortos, professor associado de química em Auburn e autor sênior do estudo avançado baseado em modelagem computacional.
Para conseguir isso, a equipe de Auburn desenvolveu novas estruturas de materiais chamadas eletrodos imobilizados de superfície, anexando precursores de elétrons dissolvidos a superfícies estáveis, como diamante e carboneto de silício. Esta configuração torna as características eletrônicas dos eletrodos duráveis e ajustáveis. Ao alterar a forma como as moléculas são organizadas, os eletrões podem agrupar-se em “ilhas” isoladas que funcionam como bits quânticos para um computador avançado, ou espalhar-se em “mares” extensos que catalisam reações químicas complexas.
É esta diversidade que confere à inovação o seu potencial transformador. Uma versão poderia levar ao desenvolvimento de computadores quânticos poderosos, capazes de resolver problemas que vão além da tecnologia atual. Poderia fornecer outra base para catalisadores sofisticados que aceleram reações químicas essenciais, revolucionando a forma como os combustíveis, os produtos farmacêuticos e os produtos industriais são produzidos.
“À medida que a nossa sociedade ultrapassa os limites da tecnologia atual, a procura por novos tipos de materiais está a explodir”, diz o Dr. Marcelo Kuroda, professor associado de física em Auburn. “Nosso trabalho mostra um novo caminho para a matéria que oferece oportunidades para investigações fundamentais de interações na matéria e aplicações práticas.”
Versões anteriores de eletrodos eram instáveis e difíceis de medir. Ao colocá-los diretamente em superfícies sólidas, a equipe de Auburn supera essas barreiras e propõe uma família de estruturas materiais que podem passar de modelos teóricos a dispositivos do mundo real. “É ciência básica, mas tem implicações muito reais”, diz o Dr. Konstantin Klugin. “Estamos falando de tecnologias que podem mudar a forma como calculamos e produzimos.”
O estudo teórico foi liderado por professores de química, física e engenharia de materiais da Universidade de Auburn. “Este é apenas o começo”, acrescenta Miliortos. “Ao aprender como suprimir elétrons livres, podemos imaginar um futuro com computadores mais rápidos, máquinas melhores e novas tecnologias”.
O estudo, “Eletrodos com deslocalização de elétrons ajustáveis para aplicações em computação quântica e catálise”, foi coautor dos estudantes de pós-graduação Andrei Evdokimov e Valentina Nesterova. Foi apoiado pela National Science Foundation dos EUA e pela Auburn University Computing Resources.
