A estrutura do óxido de titânio bidimensional é quebrada em altas temperaturas pela adição de bário; em vez de hexágonos regulares, são criados anéis de quatro, sete e dez átomos que se ordenam aperiodicamente. Uma equipe da Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) fez essa descoberta em colaboração com pesquisadores do Max Planck Institute (MPI) for Microstructure Physics, da Université Grenoble Alpes e do National Institute of Standards and Technology (Gaithersburg, EUA), resolvendo o enigma da formação de quasicristais bidimensionais a partir de óxidos metálicos. Suas descobertas foram publicadas na revista Natureza Comunicações.
Hexágonos são freqüentemente encontrados na natureza. O exemplo mais conhecido é o favo de mel, mas o grafeno ou vários óxidos metálicos, como o óxido de titânio, também formam essa estrutura. “Os hexágonos são um padrão ideal para arranjos periódicos”, explica o Dr. Stefan Förster, pesquisador do grupo de Física de Superfície e Interface do Instituto de Física da MLU. “Eles se encaixam tão perfeitamente que não há lacunas.” Em 2013, esse grupo fez uma descoberta surpreendente ao depositar uma camada ultrafina contendo óxido de titânio e bário em um substrato de platina e aquecê-la a cerca de 1.000 graus centígrados em ultra-alto vácuo. Os átomos se arranjam em triângulos, quadrados e losangos que se agrupam em formas simétricas ainda maiores com doze arestas. Uma estrutura com simetria rotacional de 12 vezes foi criada, em vez da periodicidade esperada de 6 vezes. De acordo com Förster, “quasicristais foram criados com uma estrutura aperiódica. Essa estrutura é feita de aglomerados atômicos básicos que são altamente ordenados, mesmo que a sistemática por trás dessa ordenação seja difícil para o observador discernir.” Os físicos de Halle foram os primeiros no mundo a demonstrar a formação de quasicristais bidimensionais em óxidos metálicos.
Os mecanismos subjacentes à formação de tais quasicristais permaneceram intrigantes desde a sua descoberta. Os físicos da MLU resolveram agora esse enigma em colaboração com pesquisadores do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura Halle, da Université Grenoble Alpes e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (Gaithersburg, EUA). Usando experimentos elaborados, cálculos energéticos e microscopia de alta resolução, eles mostraram que altas temperaturas e a presença de bário criam uma rede de anéis de titânio e oxigênio com quatro, sete e dez átomos, respectivamente. “O bário quebra os anéis atômicos e os estabiliza”, explica Förster, que lidera o projeto conjunto. “Um átomo de bário está embutido em um anel de sete, dois em um anel de dez.” Isso é possível porque os átomos de bário interagem eletrostaticamente com o suporte de platina, mas não formam uma ligação química com os átomos de titânio ou oxigênio.
Com sua última descoberta, os pesquisadores fizeram mais do que apenas esclarecer uma questão fundamental da física. “Agora que temos uma melhor compreensão dos mecanismos de formação no nível atômico, podemos tentar fabricar esses quasicristais bidimensionais sob demanda em outros materiais relevantes para a aplicação, como óxidos metálicos ou grafeno”, diz Förster. “Estamos entusiasmados em saber se esse arranjo especial produzirá propriedades completamente novas e úteis”.
Os experimentos foram realizados como parte do projeto “Cristais aperiódicos: estrutura, dinâmica e propriedades eletrônicas”, financiado pela Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG – Fundação Alemã de Pesquisa) e pela Agence Nationale de la Recherche francesa.
Com informações de Science Daily.