Os pesquisadores alcançaram um avanço significativo na ciência dos materiais ao criar nanotubos metálicos estáveis a partir de dissulfeto de nióbio – um feito há muito considerado ilusório. O ingrediente chave inesperado? Sal de cozinha comum. Esta descoberta, publicada na ACS Nano, abre portas para eletrônicos mais rápidos, fios supercondutores e, potencialmente, até mesmo futuros computadores quânticos.
Os nanotubos são minúsculos cilindros de átomos enrolados, milhares dos quais poderiam caber num fio de cabelo humano. Seu tamanho e estrutura únicos conferem-lhes propriedades extraordinárias em comparação com materiais a granel tradicionais. Eles podem ser mais fortes que o aço, mas mais leves que o plástico, conduzir eletricidade de forma eficiente com resistência mínima, transferir calor de forma eficaz e até exibir efeitos quânticos incomuns.
Essas características tornaram os nanotubos blocos de construção altamente procurados para tecnologias avançadas. No entanto, os esforços anteriores concentraram-se principalmente na criação de nanotubos de carbono (semicondutor ou semimetal) e nitreto de boro (isolante). A elaboração de nanotubos metálicos, que se comportam de maneira diferente no nível atômico, revelou-se significativamente desafiadora.
Os nanotubos metálicos são imensamente promissores devido ao seu potencial para exibir supercondutividade – permitindo que a eletricidade flua com resistência zero – e magnetismo. “Essas conchas podem, em princípio, mostrar fenômenos como supercondutividade e magnetismo, que são impossíveis em versões isolantes ou semicondutoras”, explica Slava V. Rotkin, professor de ciências da engenharia e mecânica e pesquisador principal da Penn State. “Tentativas anteriores com nanotubos de carbono não alcançaram essas propriedades devido à densidade eletrônica insuficiente.”
A equipe se concentrou no dissulfeto de nióbio, um metal conhecido por sua supercondutividade em massa. Eles conseguiram transformar esse metal em tubos incrivelmente finos – bilionésimos de metro de largura – envolvendo-o em modelos feitos de nanotubos de carbono e nitreto de boro.
Este processo de moldagem provou ser o principal avanço: normalmente, o dissulfeto de nióbio prefere formar folhas planas.
A solução inesperada? Uma minúscula adição de sal de cozinha em um ponto preciso do processo de crescimento. “Em certo sentido, era como alquimia”, diz Rotkin. “Você adiciona este pequeno ingrediente e de repente a reação muda. Sem sal, o dissulfeto de nióbio fica achatado; com ele, envolve o nanotubo e forma as conchas que precisamos.”
Outras surpresas surgiram durante a observação. Em vez de formar principalmente tubos de camada única, esses nanotubos favoreciam uma estrutura de casca dupla – semelhante a canudos aninhados.
Rotkin postula que esta formação incomum é impulsionada pela atividade elétrica entre as camadas. “Com duas camadas, os elétrons podem saltar de uma para a outra”, explica ele, “agindo como um capacitor de tamanho atômico que estabiliza toda a estrutura”. Modelos computacionais apoiam esta teoria.
Este formato laminado exclusivo também aborda um desafio persistente no trabalho com materiais 2D planos. Para criar nanofios a partir dessas folhas, os cientistas normalmente empregam litografia – semelhante à gravação de padrões em chips de silício. No entanto, em escalas tão minúsculas, o entalhe deixa bordas irregulares que perturbam as propriedades do material.
“Se você enrolar”, observa Rotkin, “você terá uma casca sem ligações pendentes. O diâmetro da casca diz exatamente qual será o comportamento. Os nanotubos são muito menos aleatórios do que os nanofios cortados de folhas bidimensionais.” Essa precisão pode tornar os nanotubos metálicos inestimáveis para aplicações que exigem desempenho confiável em nanoescala.
Embora a pesquisa ainda esteja em seus estágios iniciais, esta prova de conceito oferece um vislumbre de possibilidades interessantes. “Estes são resultados iniciais”, afirma Rotkin, “mas mostram que podemos cultivar nanotubos metálicos e começar a compreender a sua estabilidade. A partir daqui, podemos começar a pensar em como integrá-los em tecnologias.”
O projeto ressalta o poder da colaboração internacional. “Este não é um trabalho que possa ser feito isoladamente”, enfatiza Rotkin. “É necessária uma equipe com conhecimentos diversos e tive a sorte de fazer parte dessa equipe.”
Pesquisas futuras poderão abrir caminho para fios supercondutores, permitindo uma eletrônica mais rápida, bem como explorar aplicações em computação quântica – tecnologias que dependem do aproveitamento das propriedades únicas dos materiais em nanoescala.
