Os pesquisadores criaram uma nova família de nanomateriais ligando fósforo com arsênico, fitas de material com a espessura de um único átomo que são altamente condutivas e candidatas ideais para baterias, células solares e computadores quânticos da próxima geração. O fósforo não conduz eletricidade muito bem, o que significa que é de pouca utilidade por si só em aplicações e dispositivos práticos. No entanto, pesquisadores da University College London (UCL) descobriram que o fósforo se torna ainda mais útil quando ligado ao arsênico.
Adam Clancy, um dos autores correspondentes do estudo, disse: "Nosso trabalho mais recente na liga de nanofitas de fósforo com arsênico abre muito mais possibilidades - particularmente para melhorar o armazenamento de energia em baterias e supercapacitores, e para aprimorar detectores de infravermelho próximo usados na medicina."
Por nanofitas, os pesquisadores se referem a fitas de fósforo com a espessura de um átomo, ou mais precisamente, fosforeno, um material bidimensional composto de uma única camada de fósforo preto em camadas feito artificialmente, a forma mais estável de fósforo. Em 2019, pesquisadores da UCL descobriram o potencial das nanofitas de fósforo. Eles descobriram que adicionar uma camada de nanofitas de fósforo às células solares de peróxido poderia permitir que as células capturassem mais energia do sol.
No presente estudo, eles introduziram “vestígios” de arsênico para melhorar a condutividade do fósforo. Cristais formados a partir de flocos de fósforo e arsênico são misturados com lítio dissolvido em amônia líquida a -58°F (-50°C). Após 24 horas, retire a amônia e substitua por solvente orgânico. Devido à estrutura atômica dos flocos, os íons de lítio só podem se mover em uma direção e não lateralmente, causando a formação de rachaduras em fitas. Os pesquisadores criaram uma nova família de nanomateriais: nanofitas de liga de arsênio-fósforo (AsPNRs).
Eles descobriram que as nanofitas de liga de arsênico-fósforo são altamente condutoras acima de 130K (-226°F/-140°C), mantendo as propriedades úteis das nanofitas de fósforo puro. Uma característica fundamental dos AsPNRs é sua “mobilidade de buraco” extremamente alta. Os buracos são os parceiros inversos dos elétrons no transporte de elétrons, portanto, aumentar a mobilidade dos buracos (uma medida da rapidez com que os buracos se movem através de um material) pode ajudar a aumentar a eficiência da transferência de corrente.
Atualmente, as nanofitas de fósforo precisam ser misturadas com materiais condutores, como o carbono, para serem usadas como materiais anódicos em baterias de íon-lítio ou íon-sódio. Os pesquisadores disseram que, como os AsPNRs podem melhorar a capacidade de armazenamento de energia da bateria e a velocidade de carga e descarga, podem eliminar a necessidade de enchimentos de carbono. Além disso, dizem que o uso de AsPNRs em células solares melhorará o fluxo de carga através do dispositivo, aumentando assim a eficiência das células.
"As fitas de arsênico-fósforo também são magnéticas, e achamos que o magnetismo vem dos átomos ao longo das bordas, o que as torna potencialmente úteis também em computadores quânticos", disse Clancy. "De forma mais ampla, este estudo mostra que a liga é uma ferramenta poderosa para controlar as propriedades desta crescente família de nanomateriais e, portanto, suas aplicações e potencial."
Os pesquisadores dizem que seus AsPNRs podem ser produzidos em larga escala em um líquido, que pode então ser usado em diversas aplicações a baixo custo.
A pesquisa foi publicada no Journal of the American Chemical Society.