Imagine um futuro onde as fábricas possam produzir 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 eficiência semelhante à do cérebro humano. Essas possibilidades dependem de um fator fundamental: como os elétrons se comportam dentro do material. Pesquisadores da Universidade de Auburn desenvolveram agora um tipo inovador de material que permite aos cientistas controlar com precisão essas minúsculas partículas carregadas. Suas descobertas, publicadas Correspondência de Materiais ACSdescrevem como a equipe alcançou o acoplamento sintonizável entre complexos metálicos-moleculares isolados, chamados precursores de elétrons solvatados, onde os elétrons não estão ligados a átomos específicos, mas se movem livremente no espaço aberto.
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 permitem 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. Normalmente, os elétrons estão confinados dentro dos átomos, o que limita seus usos potenciais. No entanto, em materiais conhecidos como eletrodos, os elétrons se movem livremente, abrindo a porta para novas capacidades extraordinárias.
“Ao aprender como controlar esses elétrons livres, podemos projetar materiais que podem fazer coisas que a natureza nunca pretendeu”, explicou o Dr. Evangelos Miliourdos, professor associado do departamento de química de Auburn e autor sênior do estudo, que foi baseado em modelagem computacional avançada.
Para conseguir isso, a equipe de Auburn desenvolveu estruturas de materiais inovadoras chamadas eletrodos imobilizados de superfície, anexando precursores de elétrons solvatados a superfícies imobilizadas, como diamante e carboneto de silício. Esta configuração torna as propriedades eletrônicas dos eletrodos duráveis e protegidas. Ao alterar a forma como as moléculas estão organizadas, os eletrões podem agrupar-se em “ilhas” isoladas que se comportam como bits quânticos para computação avançada, ou espalhar-se em “mares” extensos que alimentam reações químicas complexas.
É esta versatilidade que dá à descoberta o seu potencial transformador. Uma versão poderia levar ao desenvolvimento de computadores quânticos poderosos, capazes de resolver problemas além do alcance da tecnologia atual. Outro poderia fornecer a base para catalisadores sofisticados que aceleram reações químicas essenciais, revolucionando potencialmente a forma como os combustíveis, os produtos farmacêuticos e os materiais industriais são produzidos.
“À medida que a nossa sociedade continua a ultrapassar os limites da tecnologia actual, a procura por novos tipos de materiais está a explodir”, disse o Dr. Marcelo Kuroda, professor associado de física em Auburn. “Nosso trabalho abre um novo caminho para materiais que oferecem oportunidades tanto para investigações fundamentais de interações entre objetos quanto para aplicações práticas.”
As versões anteriores do Elektride eram instáveis e difíceis de escalar. Ao depositá-los diretamente em superfícies sólidas, a equipe de Auburn superou essas barreiras, propondo uma família de estruturas materiais que poderia ir de modelos teóricos a dispositivos do mundo real. “Esta é uma ciência básica, mas tem implicações muito reais”, disse o Dr. Konstantin Klyukin, professor assistente de engenharia de materiais em Auburn. “Estamos falando de tecnologias que podem mudar a forma como calculamos e produzimos.”
O estudo teórico foi liderado pelo corpo docente da Auburn University em química, física e engenharia de materiais. “Este é apenas o começo”, acrescentou Miliardos. “Ao aprendermos a controlar os elétrons livres, podemos imaginar um futuro com computadores mais rápidos, máquinas mais inteligentes e novas tecnologias com as quais ainda nem sonhamos.”
O estudo, “Eletrizes com deslocalização de elétrons ajustáveis para aplicações em computação quântica e catálise”, também 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.
