O que aconteceu com a descoberta de materiais combinatórios

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O que aconteceu com a descoberta de materiais
combinatórios?
Um olhar para o passado, presente e futuro da química combinatória em pesquisa de materiais.
Crédito da imagem: Omar Flores Unsplash
A ideia de acelerar a laboriosa e lenta síntese em série tradicional de materiais pode ser atribuída ao
trabalho pioneiro de Boettcher e colegas de trabalho, que em 1955 introduziram o conceito de síntese
paralela de bibliotecas combinatórias para sintetizar mais rapidamente e caracterizar enormes
bibliotecas de fases multi-metálmicas. A síntese de bibliotecas binárias, ternárias e quaternárias desses
materiais multimetálicos foi obtida através da vaporização dos diferentes componentes metálicos através
de uma máscara rotativa. Esta abordagem produziu filmes finos de materiais continuamente
classificados, uma análise da qual produziu um diagrama de fases. O material de arquétipo neste estudo
inovador foi o sistema ternário Ag-Sn-Pb. [1,2]
O potencial de descoberta combinatória de materiais pode ser apreciado a partir do grande número de
combinações possíveis de elementos na tabela periódica. O número total de combinações N para os
materiais multimetálico acima mencionados compostos por n Eelementos E para o agrupamento binário,
ternário e quaternário n R é dado pela expressão:
N ? n E !/[n R !(n E ?n R)!]
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No caso de 50 elementos diferentes, N - 1225 binários, 19 600 ternários e 230 000 combinações
quaternárias. Esses números aumentam enormemente com n R.
O apelo desta estratégia combinatória para acelerar a síntese de materiais e analisar rapidamente a
composição, estrutura e relações de propriedade foi reconhecido pela comunidade de pesquisa de
materiais cerca de 15 anos depois, como visto pelo trabalho de Hanak e colegas de trabalho sobre a
síntese combinatória e mapeamento das propriedades e funcionalidade de vastas matrizes de óxidos
metálicos.
O gargalo ao progresso foi a taxa limitada na qual os materiais poderiam ser analisados. Avanços
rápidos em técnicas de deposição de vapor e fase de solução, incluindo a impressão a jato de tinta e
nanolitografia de sonda de varredura, com maior e maior resolução espacial, para a criação de
bibliotecas de materiais combinatórios maciços, juntamente com a triagem rápida de uma ampla gama de
propriedades de materiais, usando difração, microscopia, espectroscopia, óptica, elétrica, magnética,
catálise e eletrocálysis, aumentou a popularidade da abordagem para acelerar e otimizar as diferentes
relações de síntese-estrutura-propriedade.
A inspiração foi certamente fornecida pelo trabalho de Schultz e colegas de trabalho com sua exploração
combinatória de 1995 dos supercondutores de cuprate Y, Ba, Ca e Sr e a gigantesca magnetoração da
biblioteca de cobaltatos La, Ba, Sr, Ca. Isto foi seguido pelo trabalho de Danielson em 1997 em sua
busca combinatória de um novo fósforo vermelho na biblioteca Y, Al, La, Eu vanadate e Dover e colegas
de trabalho na biblioteca de titanatas Zr, Sn de alto capacitor constante dielétrico, materiais de memória
de acesso aleatório dinâmico.
Este trabalho inicial inspirou uma enxurrada de estudos de descoberta combinatória que aumentaram
muito a amplitude e profundidade da técnica para rápida síntese e triagem de propriedades de enormes
bibliotecas semicondutores, fotovoltaicas, bateria de íons de lítio e materiais de células de combustível,
catalisadores e eletrocatalisadores, termoelétricos, óxidos condutores transparentes, foto e
eletroluminescentes e materiais de armazenamento de hidrogênio.
Uma figura neste estudo vinculado mostra uma biblioteca quaternária de descoberta combinatória de
fósforos à base de óxido metálico observada sob luz ambiente (esquerda) e 254 nm (direita) feita pela
deposição física de vapor da máscara de sombra em uma bolacha de silício com recozimento a 1000oC
em Ar de Ga 2 O 3, Gd 2 O 3, SiO 22, ZnO e Y 2 O 3 dopouados com CeO 22, EuF 3, T.47234
Alguns desses estudos combinatórios foram além da otimização das propriedades dos materiais
existentes com a descoberta de novos materiais.
Não está exatamente claro se o excitante potencial de pesquisa e desenvolvimento de química
combinatória na década de 1990 – realizado em universidades e comercializado por empresas como a
Symyx Technologies Inc. – levou a novos produtos. Depois de cerca de uma década de intensa atividade
e excitação, o campo parecia desaparecer – ou pelo menos permaneceu sob o radar de muitos químicos
sintéticos. Para os entusiastas da arte e da ciência da química combinatória, não era evidente se este
era o começo do fim ou o fim do início para este paradigma de química sintética potencialmente
disruptivo.
https://www.nature.com/articles/nmat1157
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Fora do azul para muitos praticando químicos sintéticos, inteligência artificial, aprendizado de máquina,
big data, supercomputadores, simulações de computador e robótica apareceu em nosso radar. Na
velocidade vertiginosa, eles começaram a decolar de onde a química combinatória havia parado e o
laboratório de química autônomo e químico artificial fizeram sua estréia.
Será muito interessante ver se a “próxima revolução industrial” será gerada por essa nova onda de
pesquisa de materiais computacionais.
Escrito por: Geoffrey Ozin
Solar Fuels Group, Universidade de Toronto Ontario, Canadá, E-mail: g.ozin-utoronto.ca, Sites:
www.nanowizard.info, www.solarfuels.utoronto.ca, www.artnanoinnovations.com.
Referências :
1. Kafizas, Andreas e Ivan P. Parkin (em inglês). “Estudamentos inorgânicos de filme fino para
otimizar rapidamente propriedades funcionais.” Comentários da Sociedade Química 41.2 (2012):
738-781.
2. Koinuma, Hideomi e Ichiro Takeuchi. Química de estado sólido combinatorial de materiais
inorgânicos. Materiais da Natureza 3.7 (2004): 429-438.
3. Epps, Robert W., et al. Químico artificial: um bot de síntese de pontos quânticos autônomos.
Materiais Avançados (2020): 2001626
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https://www.advancedsciencenews.com/autonomous-chemical-synthesis/
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001626
https://undefined/mailto:g.ozin@utoronto.ca
http://www.nanowizard.info/
http://www.solarfuels.utoronto.ca/
http://www.artnanoinnovations.com/