Nanotecnologia

Experimentos revelam falha na teoria sobre Forças de van der Waals

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/02/2018

As forças que unem as camadas do material não são tão fracas quanto a teoria propõe. [Imagem: University of Tsukuba]

Interações de van der Waals

A descoberta do grafeno levou a uma explosão no interesse nos sólidos 2D, materiais formados por camadas atômicas individuais ou empilhadas.

Como as interações fracas e de longa distância dão a esses materiais monoatômicos algumas das suas propriedades mais interessantes, entender essas interações é crucial para sua exploração tecnológica - mais especificamente, entender como as interações de van der Waals mantêm juntas as camadas atômicas.

Agora, acabam de ser realizados os primeiros experimentos de difração de raios X síncrotron no dissulfeto de titânio (TiS2), um metal de transição calcogeneto com uma estrutura 2D em camadas que já vem sendo pesquisado para uso na produção de hidrogênio solar e células solares.

E os resultados foram surpreendentes, mostrando que o papel da força de van der Waals é bem diferente do que as teorias propunham. Essa surpresa vem se juntar a outra demonstração recente, a de que as forças de Van Der Waals atraem e repelem, ao contrário do que os cientistas acreditavam até então.

Materiais de van der Waals

O TiS2 é um material de van der Waals arquetípico, com camadas que compreendem folhas de titânio (Ti) e de enxofre (S) interagindo através de ligações químicas fortes, com os elétrons sendo compartilhados entre os átomos, resultando em uma estrutura relativamente fixa. Entre estas folhas, as interações de van der Waals de longa distância (S-S) atraem as camadas umas para as outras, permitindo que elas se empilhem, formando materiais sólidos. Essas interações são conhecidas por serem muito mais fracas do que aquelas dentro das folhas 2D individuais.

No entanto, ao medir com precisão um cristal de TiS2, os pesquisadores descobriram que as interações entre as camadas são de fato muito mais fortes do que a teoria estabelece, e envolvem um compartilhamento significativo de elétrons.

"Este trabalho fornece uma compreensão fundamental de uma classe de materiais incríveis com numerosas aplicações potenciais em tecnologias como baterias iônicas, catálise e supercondutores," disse Hidetaka Kasai, da Universidade de Tsukuba, no Japão. "Nossos experimentos são os primeiros a revelar a verdadeira natureza das interações que tornam os materiais 2D tão interessantes, e esperamos que eles apoiem muitos desenvolvimentos futuros nesta área".

A equipe considera que os resultados obtidos no experimento dentro das camadas Ti-S, que se mostraram de acordo com as teorias, validam seus resultados quanto às interações de longo alcance ao longo dos intervalos intercamadas, que estão em desacordo com as teorias.

A expectativa é que essa descoberta contribua substancialmente para a compreensão fundamental das ligações químicas nos materiais 2D em geral, facilitando sua fabricação e interação com outros materiais, dois dos maiores entraves ao seu uso prático.

• Forças de van der Waals envolvem ondas, não partículas

Bibliografia:

X-ray electron density investigation of chemical bonding in van der Waals materials
Hidetaka Kasai, Kasper Tolborg, Mattia Sist, Jiawei Zhang, Venkatesha R. Hathwar, Mette O. Filso, Simone Cenedese, Kunihisa Sugimoto, Jacob Overgaard, Eiji Nishibori, Bo B. Iversen
Nature Materials
Vol.: 17, pages 249-252
DOI: 10.1038/s41563-017-0012-2