Hidrogênio faz metal virar isolante

Eletrodos de ouro são usados para monitorar com precisão a estranha alteração de fase do óxido de vanádio, que é tanto estrutural quanto eletrônica.[Imagem: Jiang Wei/Rice University]

Transição metal-isolante
O óxido de vanádio é um material estranho: como metal, ele é um condutor térmico e elétrico.
Mas aqueça-o a meros 67 ºC e, em um trilionésimo de segundo, ele passa a ser um isolante.
Isso tem inúmeras aplicações práticas, como janelas sensíveis à temperatura, que absorvem a energia no Sol nos dias frios, e a refletem nos dias de calor.
Ou vidros inteligentes que simplesmente deixam passar a luz e bloqueiam o calor.
Alguns pesquisadores estão também usando o óxido de vanádio para desenvolver chaves ópticas para incorporação em circuitos eletrônicos, no campo da chamada optoeletrônica.
Agora, esse "material bipolar" poderá encontrar ainda mais utilidades, uma vez que cientistas descobriram uma forma não apenas de baixar a temperatura dessa transição metal-isolante, mas também de torná-la totalmente reversível.
Dopagem reversível
A técnica de "dopagem reversível" é feita com a mera adição do gás hidrogênio.
"Se adicionamos pouco hidrogênio, a transição de fase acontece a uma temperatura ligeiramente mais baixa, e a fase isolante se torna mais condutora. Se o hidrogênio for acrescentado em quantidade suficiente, a transição para a fase isolante desaparece completamente," explica Douglas Natelson, da Universidade Rice, nos Estados Unidos.
"No lado prático, há várias aplicações para isso, como sensores ultrassensíveis de hidrogênio", diz o pesquisador. "Mas a compensação mais imediata será nos ajudar a entender melhor a física envolvida na transição de fase do VO2."
De fato, os modelos atuais não conseguem explicar o que acontece na rede atômica desse dióxido.
Transição de fase do dióxido de vanádio
Quando o oxigênio reage com o vanádio para formar o VO2, os átomos formam cristais que se parecem com longos caixotes retangulares. Os átomos de vanádio alinham-se ao longo das quatro bordas do caixote, em linhas regularmente espaçadas.
Um único cristal de VO2 pode ter várias dessas caixas alinhadas lado a lado. Nessa estrutura, esses cristais conduzem eletricidade como se fossem fios.
Mas tudo muda aos 67 ºC.
"Estruturalmente, os átomos de vanádio emparelham-se, e cada par fica ligeiramente inclinado, de forma que você não tem mais essas longas cadeias. Quando a fase muda, com a ocorrência desses emparelhamentos, o material passa de um condutor elétrico para um isolante elétrico," explica Natelson.
Ou seja, ocorre uma transição de fase que é tanto estrutural, quanto eletrônica.
Quando entenderem totalmente esse processo, os pesquisadores poderão ajustá-lo ou controlá-lo de forma mais precisa, levando o óxido de vanádio para aplicações mais nobres.
Isso agora poderá ser feito com muito mais rapidez e precisão com a possibilidade de reverter a transição de fase à vontade, com a simples adição de hidrogênio.