Theoretical Prediction of Superconducting 2D Hydrogenated Janus V2CSH and Nb2CSH MXenes

Materiais bidimensionais são folhas de matéria tão finas que possuem apenas uma camada de átomos de espessura, mas que possuem propriedades que versões mais volumosas da mesma substância simplesmente não têm. Entre estes, uma família conhecida como MXenos atraiu atenção significativa por sua capacidade de conduzir eletricidade e seu potencial para armazenar energia. Estes materiais são tipicamente criados ao descascar camadas de um cristal maior, deixando para trás uma superfície que é frequentemente coberta com vários átomos como oxigênio ou flúor. Esses átomos superficiais agem como uma pele, mudando fundamentalmente como o material se comporta. Recentemente, cientistas tornaram-se interessados em uma variação específica chamada estrutura Janus, nomeada em homenagem ao deus romano de duas faces. Nestas folhas, os dois lados são diferentes um do outro, com uma face coberta por um tipo de átomo e a face oposta por outro. Esta assimetria cria um ambiente interno único que pode ser ajustado para produzir novos efeitos eletrônicos, incluindo o potencial teórico de conduzir eletricidade sem qualquer resistência, um fenômeno conhecido como supercondutividade.

Em um novo estudo, pesquisadores buscaram explorar como este design Janus poderia funcionar com dois metais específicos, vanádio e nióbio, quando suas superfícies são cobertas por uma mistura de hidrogênio e enxofre. Usando simulações computacionais poderosas, a equipe modelou camadas únicas desses materiais para ver se eles se manteriam unidos e como conduziriam eletricidade. Eles descobriram que tanto as folhas baseadas em vanádio quanto as baseadas em nióbio eram estáveis e não se desintegrariam sob condições normais. Mais importante, o estudo prevê que ambos os materiais poderiam ser supercondutores, o que significa que poderiam carregar uma corrente elétrica com zero perda de energia, mas apenas em temperaturas extremamente baixas. O estudo revelou que, embora ambos os materiais mostrem este potencial, o que contém nióbio é o supercondutor mais eficaz, capaz de manter este estado em uma temperatura mais alta do que seu contraparte de vanádio.

Os pesquisadores começaram construindo os modelos atômicos destas duas folhas. Cada folha consiste em uma camada central de átomos de carbono sendo espremida entre duas camadas de átomos metálicos. Em um lado da folha, os átomos de metal estão ligados ao enxofre, enquanto no outro lado, estão ligados ao hidrogênio. Este arranjo cria um desequilíbrio elétrico permanente através da folha, muito parecido com uma bateria com um lado positivo e um negativo, o que é um resultado direto das duas faces distintas. As simulações mostraram que os átomos nestas folhas são mantidos juntos firmemente e que os materiais permanecem estáveis mesmo quando aquecidos à temperatura ambiente em um ambiente simulado. A equipe também verificou o magnetismo, uma propriedade que frequentemente interfere na supercondutividade, e descobriu que nenhum dos materiais exibiu qualquer comportamento magnético, o que é uma condição favorável para o surgimento do estado supercondutor.

Quando os cientistas examinaram como a eletricidade se move através destas folhas, descobriram que ambos os materiais atuam como metais, com elétrons fluindo livremente através deles. O fluxo de eletricidade é impulsionado principalmente pelos elétrons que orbitam os átomos metálicos. No entanto, os dois materiais não são idênticos. A folha de nióbio possui um espaçamento ligeiramente maior entre seus átomos comparado à folha de vanádio, uma diferença que altera a forma como os elétrons e os átomos vibrantes interagem entre si. Esta interação é a chave para a supercondutividade nestes materiais. Para um material tornar-se um supercondutor, os elétrons devem emparelhar-se e mover-se através da rede de átomos sem colidir com eles. Este emparelhamento é facilitado pelas vibrações dos próprios átomos. Os pesquisadores calcularam quão fortemente os elétrons se acoplam a estas vibrações e descobriram que a folha de nióbio possui uma conexão mais forte do que a de vanádio.

Esta conexão mais forte leva a uma temperatura mais alta na qual o material é previsto para se tornar supercondutor. O estudo prevê que a folha baseada em vanádio se tornaria supercondutora a uma temperatura de 2,36 Kelvin, que é pouco acima do zero absoluto. A folha baseada em nióbio, no entanto, é prevista para se tornar supercondutora a 5,27 Kelvin. Embora estas temperaturas ainda sejam incrivelmente frias, o fato de a versão de nióbio funcionar a uma temperatura mais alta é significativo. Os pesquisadores descobriram que o principal motor para este efeito vem das vibrações de baixa energia dos átomos de metal e enxofre. Estes átomos pesados vibram lentamente, e são estes movimentos específicos que contabilizam cerca de 77 por cento da capacidade do material de se tornar supercondutor. Os átomos de hidrogênio e carbono, mais leves, desempenham um papel muito menor neste processo.

As descobertas sugerem que, ao trocar um metal por outro dentro da mesma estrutura Janus, os cientistas podem ajustar as propriedades supercondutoras destes materiais. O estudo refuta a ideia de que os dois materiais se comportariam de forma idêntica apenas por compartilharem a mesma forma e átomos de superfície; em vez disso, a escolha específica do metal dita a força do efeito supercondutor. Os pesquisadores também observaram que os materiais são mecanicamente robustos, o que significa que são rígidos e resistentes ao estiramento, o que é importante para qualquer uso prático futuro. Embora estes resultados sejam atualmente baseados em simulações computacionais e ainda não tenham sido criados em um laboratório, os cálculos fornecem um roteiro claro do que esperar se estes materiais forem sintetizados. O trabalho destaca que o MXene Janus baseado em nióbio é um candidato particularmente promissor para futuras aplicações de baixa temperatura, oferecendo um novo caminho para o design de materiais quânticos bidimensionais com propriedades elétricas customizadas.