SUPERÁTOMOS

Do desenvolvimento de novos materiais magnéticos à perspectiva de uma nova tabela periódica em 3 dimensões.

Químicos e físicos se preparem! Vem aí uma nova versão da tabela periódica! Talvez o químico russo Dimitri Mendeleev esteja se retorcendo neste momento da história com a possibilidade do surgimento dessa novidade... A nova tabela de que estamos falando desta vez não é composta apenas de átomos mas também de superátomos. Átomos mais fortes e maiores do que os outros? Não, não... Na realidade, estes superátomos constituem-se de um aglomerado estável ou metaestável de átomos (chamados neste texto de cluster) que podem mimetizar o comportamento químico de átomos elementares.

 

Figura 1. Uma nova visão da tabela periódica em três dimensões com a inclusão dos superátomos que mimetizam o comportamento dos átomos elementares.

A idéia básica dos superátomos fundamenta-se na analogia entre o espectro eletrônico e a valência química dos clusters quando comparado aos dos átomos. Desde 1997, diversos clusters contendo átomos de alumínio como Al₁₃, BAl₁₂, Al₁₄ e entre outros foram descritos como sendo capazes de mimetizar o comportamento químico de halogênios e metais alcalinos-terrosos. Outros exemplos de superátomos são os clusters Li(HF)₃Li, VSi₁₆F e um cluster contendo treze átomos de platina, que possui propriedades magnéticas.

 

Figura 2. Um superátomo: Cluster contendo treze átomos de alumínio que mimetiza um átomo de iodo.

Em um estudo mais recente (2009), publicado na revista Nature Chemistry, o professor Shiv N. Khanna e colaboradores realizam cálculos de primeiros princípios para clusters contendo vanádio e metais alcalinos, como sódio e césio. Especialmente em um deles, observaram que o cluster formado por um átomo de vanádio e oito de césio (VCs₈) atua como um minúsculo magneto, mimetizando as propriedades magnéticas de um átomo de manganês.  A explicação deste fenômeno pode ser atribuída ao preenchimento do subnível d do vanádio por elétrons do metal alcalino, o que leva em um aumento no momento magnético de três para cinco magnétons de Bohr (m_B), característico de um átomo de manganês. Em outras palavras, o átomo de vanádio deixa de ter sua configuração eletrônica original d³ s², passando a ser d⁵ s².

Uma das vantagens da utilização desses superátomos é a possibilidade de modulação de suas estruturas. A combinação direta de dois clusters de VCs₈ leva a formação de um novo composto de fórmula molecular V₂Cs₁₆, mais estável do que seus precursores. Esta combinação resultou em alterações nas propriedades magnéticas do composto, onde o momento magnético total de spin observado foi de 12m_B, ou seja, 2m_B maior do que dois clusters isolados. Verificou-se, através de cálculos DFT, que no estado fundamental os átomos de vanádio estão acoplados ferromagneticamente, assim como no dímero Mn₂, mostrando que as propriedades miméticas são mantidas mesmo quando os superátomos estão interagindo entre si.

Segundo o professor Khanna, a associação entre propriedades elétricas e magnéticas observadas em superátomo pode trazer um significante desenvolvimento em uma área conhecida como “eletrônica molecular”, onde se estuda o efeito da corrente elétrica sobre uma molécula e está direcionada para fabricação de nanodispositivos. Aproveitando-se das propriedades magnéticas observadas em alguns superátomos, o grupo do professor Khanna já iniciou os trabalhos em outra área emergente da nanotecnologia, chamada de “spintronica molecular”, na qual se pretende a manipulação do momento magnético de spin da molécula visando-se aplicações em dispositivos de armazenamento de informações e processamento de dados.

Certamente, um dos grandes desafios da ciência dos materiais hoje é o desenvolvimento de novos materiais magnéticos. Nesta linha, as pesquisas com os superátomos mostram-se extremamente promissoras para o desenvolvimento de novas tecnologias.

Fonte: SBQrio