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Imagine celulares que dobram, telas ultrafinas e chips muito mais potentes e econômicos em energia do que os usados atualmente pela indústria de tecnologia da informação. O caminho para essas conquistas passa pelo desenvolvimento de semicondutores mais eficientes e versáteis. Neste cenário, um estudo computacional, produzido por pesquisadores brasileiros e publicado na revista ACS Omega, identificou propriedades promissoras em uma nova família de materiais bidimensionais (2D), posicionando-os como fortes candidatos para compor a próxima geração de dispositivos semicondutores.
O professor Carlos Antônio Barboza, do Departamento de Biofísica e Farmacologia do Centro de Biociências (DBF/CB) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), é o supervisor científico do estudo, ao lado do professor David Lima Azevedo, da Universidade de Brasília (UnB). A pesquisa teve início a partir de um projeto de mestrado do Programa de Pós-graduação em Engenharia Aeroespacial da Universidade Estadual do Maranhão (PPgEA/UEMA), coordenado pelo professor Edvan Moreira, que é egresso e ex-professor substituto da UFRN. O trabalho multidisciplinar reúne ainda profissionais de outras áreas: Ally Siena, mestranda em Física da Matéria Condensada; Leonardo Barbosa, pós-doutorando em Dinâmica Computacional; e Caleb Nathan, mestre em Química Computacional.
Telas flexíveis e chips mais potentes
Um semicondutor é um material que pode ser “ajustado” para conduzir energia elétrica, conforme a necessidade. Pense nele como um interruptor de luz sofisticado. Enquanto um metal, como um fio de cobre, conduz eletricidade o tempo todo, e uma borracha ou plástico são isolantes e não conduzem nunca, o semicondutor é o meio termo. Com a manipulação correta de certos elementos, é possível controlar quando e como a eletricidade passa por ele. É essa propriedade que permite criar os transistores minúsculos que formam o “cérebro” de celulares, computadores e TVs. Ou seja, a base da tecnologia digital que temos hoje, com estruturas 3D.
O Professor Carlos Barboza compara o material 3D utilizado atualmente na produção dessa tecnologia a um “tijolo” e o material 2D a uma “folha de papel” extremamente fina, com espessura de apenas um ou poucos átomos. Ao “descascar” o material até essa espessura, suas propriedades físicas mudam completamente — tornam-se mais eficientes, flexíveis e quase transparentes. Por isso, os semicondutores 2D são considerados materiais do futuro. Podem levar a celulares que dobram, telas ultrafinas e chips muito mais potentes e econômicos em energia. “A vantagem é que podemos, no futuro, devido a essa estrutura ultrafina, termos semicondutores que possam ser amassados e retornar à sua forma original. Hoje, se pegarmos uma tela e dobramos, ela irá quebrar. Não tem volta, porque é um semicondutor cristalino. Essa já seria um grande benefício do ponto de vista estrutural”, explica o cientista.
O estudo computacional
A pesquisa focou em três materiais extremamente finos: o MoWS₄, o MoWSe₄ e, o mais inovador, o MoWS₂Se₂, um material do tipo Janus (uma referência ao Deus romano Jano, Deus dos portões, passagens, começos e finais, que era quase sempre representado com duas faces, olhando para direções opostas simultaneamente). Portanto, o termo “Janus” é usado metaforicamente para descrever qualquer coisa que possua duas naturezas, funções ou características distintas e opostas. A grande inovação está neste último, que é uma estrutura assimétrica, como se fosse uma liga com “duas caras” diferentes — uma característica rara e muito promissora.
Por meio de simulações computacionais avançadas, os cientistas descobriram que essas “folhas” atômicas são materiais estáveis e viáveis – primeiro passo para que possam ser fabricadas e usadas em dispositivos reais. Além disso, são semicondutores eficientes, pois possuem uma propriedade chamada bandgap. Os melhores semicondutores atuais, como Carbeto de Silício (3,3 eV) e Nitreto de Gálio (3,4 eV), são usados em carregadores ultrarrápidos, carros elétricos e 5G. “Nossa liga Janus, a estrela da pesquisa, tem 2,08 eV. A vantagem? Ela não é uma estrutura 3D, mas uma fina folha 2D, com flexibilidade para ser ajustada a fim de melhorar tal propriedade, consumo drasticamente menor de energia e potencial para ser transparente e ultrafina”, comemora o professor Carlos.
Por fim, os materiais estudados têm comportamento óptico “programável”. Eles absorvem a luz de maneira diferente conforme a direção – uma propriedade chamada anisotropia. É como ter um material “inteligente” que interage com a luz de formas específicas, abrindo portas para sensores ultrassensíveis e telas de nova geração. “Nosso trabalho não só prevê teoricamente a existência desses novos materiais, como confirma que eles têm as propriedades certas para, no futuro, impulsionar uma nova geração de eletrônicos mais potentes, finos e eficientes”, prevê o pesquisador.
Uma alternativa às terras raras
O professor Carlos Barboza destaca que a busca por materiais semicondutores 2D, além do silício, é crucial para superar os limites físicos da eletrônica atual e criar rotas tecnológicas menos dependentes de cadeias produtivas globalmente concentradas. Atualmente, os semicondutores de silício têm suas propriedades aprimoradas com elementos terras raras, resultando em componentes de alta performance essenciais para diversas indústrias. Na automobilística, eles são indispensáveis nos sistemas eletrônicos de controle, gerenciamento e conversão de energia dos carros elétricos. Na indústria bélica, são fundamentais para o desenvolvimento de tecnologias como sistemas de mísseis, radares e aviões de caça.
Ao explorar e validar materiais que serão a base de tecnologias pós-silício, independentes das terras raras, o estudo oferece uma “biblioteca” de novos semicondutores com propriedades previsíveis e ajustáveis, fornecendo um roteiro teórico sólido para guiar a síntese experimental. A equipe garante que o resultado da pesquisa abre portas concretas para a criação de chips mais rápidos, dispositivos de comunicação óptica mais eficientes e sensores mais precisos, alicerçando uma nova geração tecnológica e apontando para um futuro com maior autonomia no estratégico campo dos semicondutores.
Dessa forma, o Brasil se posiciona na vanguarda da pesquisa de materiais 2D, uma área estratégica na disputa tecnológica entre as grandes potências mundiais. “Demonstrar a capacidade de simular, prever e validar materiais avançados coloca a ciência brasileira como protagonista no desenvolvimento das próximas gerações tecnológicas, reduzindo a dependência de patentes estrangeiras e abrindo novas frentes de inovação nacional em eletrônica e energia”, conclui o professor Barboza.
Fonte: Agecom/UFRN
