Imagine um futuro onde fábricas podem criar materiais e compostos químicos com mais rapidez, a um custo menor, 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 do cérebro humano. Essas possibilidades dependem de um fator fundamental: como os elétrons se comportam dentro dos materiais. Pesquisadores da Universidade de Auburn desenvolveram um tipo inovador de material que permite aos cientistas controlar precisamente essas pequenas partículas carregadas. Suas descobertas, publicadas na ACS Materials Letters, descrevem como a equipe alcançou um acoplamento ajustável entre complexos moleculares de metal isolados, chamados de precursores de elétrons solvados, onde os elétrons não estão presos a átomos específicos, mas se movem livremente dentro de espaços abertos.
Os elétrons são centrais para quase todos os processos químicos e tecnológicos. Eles impulsionam a transferência de energia, a formação de ligações químicas e a condutividade elétrica, servindo como base tanto para a síntese química quanto para a eletrônica moderna. Nas reações químicas, os elétrons possibilitam processos redox, formação de ligações e atividade catalítica. Na tecnologia, gerenciar como os elétrons se movem e interagem fundamenta tudo, desde circuitos eletrônicos e sistemas de IA até células solares e computadores quânticos. Normalmente, os elétrons estão confinados a átomos, o que restringe suas potenciais aplicações. No entanto, em materiais conhecidos como eletridos, os elétrons se movem de forma independente, abrindo a porta para novas capacidades notáveis.
“Ao aprender a controlar esses elétrons livres, podemos projetar materiais que fazem coisas que a natureza nunca pretendia”, explica o Dr. Evangelos Miliordos, Professor Associado de Química na Auburn e autor sênior do estudo, que foi baseado em modelagem computacional avançada.
Para alcançar isso, a equipe de Auburn criou estruturas de materiais inovadoras chamadas Eletridos Superficiais Immobilizados, ao anexar precursores de elétrons solvados a superfícies estáveis como diamante e carboneto de silício. Essa configuração torna as características eletrônicas dos eletridos tanto duráveis quanto ajustáveis. Alterando a disposição das moléculas, os elétrons podem se agrupar em “ilhas” isoladas que se comportam como qubits para computação avançada ou se espalhar em “mares” extensos que promovem reações químicas complexas.
Essa versatilidade é o que confere ao descobrimento seu potencial transformador. Uma versão poderia levar ao desenvolvimento de computadores quânticos poderosos, capazes de resolver problemas além do alcance da tecnologia atual. Outra poderia fornecer a base para catalisadores de ponta que aceleram reações químicas essenciais, potencialmente revolucionando a forma como combustíveis, produtos farmacêuticos e materiais industriais são produzidos.
“À medida que nossa sociedade ultrapassa os limites da tecnologia atual, a demanda por novos tipos de materiais está explodindo”, diz o Dr. Marcelo Kuroda, Professor Associado de Física na Auburn. “Nosso trabalho mostra um novo caminho para materiais que oferecem tanto oportunidades para investigações fundamentais sobre interações na matéria quanto aplicações práticas.”
Versões anteriores de eletridos 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 de materiais que poderia passar de modelos teóricos para dispositivos do mundo real. “Isso é ciência fundamental, mas tem implicações muito reais”, diz o Dr. Konstantin Klyukin, Professor Assistente de Engenharia de Materiais na Auburn. “Estamos falando de tecnologias que poderiam mudar a forma como computamos e fabricamos.”
O estudo teórico foi liderado por professores das áreas de química, física e engenharia de materiais na Universidade de Auburn. “Isso é apenas o começo”, acrescenta Miliordos. “Ao aprender a domesticar elétrons livres, podemos imaginar um futuro com computadores mais rápidos, máquinas mais inteligentes e novas tecnologias que ainda não sonhamos.”
O estudo, “Eletridos com Deslocalização de Elétrons Tunável para Aplicações em Computação Quântica e Catálise,” foi também coautorado pelos estudantes de pós-graduação Andrei Evdokimov e Valentina Nesterova. Foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pelos recursos computacionais da Universidade de Auburn.
