Como a estrutura de cristais e materiais híbridos pode gerar novas tecnologias em energia, luz e computação quântica

Pesquisa coordenada por docente da UFABC reúne e interpreta, em perspectiva, resultados científicos experimentais e teóricos, e propõe um novo conceito para o design de materiais híbridos. 


Pesquisadores da Universidade Federal do ABC (UFABC) e da Universidade de São Paulo (USP), sob a coordenação do Prof. Dr. José Antonio Souza (UFABC), foram convidados pela revista Small Structures a escrever um artigo de perspectiva sobre uma nova família de materiais semicondutores – as perovskitas de haletos –, acerca da qual os referidos pesquisadores já publicaram importantes trabalhos. Intitulado Dimensionality-Driven Emerging Phenomena in Hybrid Metal Halides, o artigo foi publicado na mais recente edição da revista (em junho de 2026).*

Os haletos metálicos híbridos, também conhecidos como perovskitas híbridas, são uma classe de materiais semicondutores que combinam componentes orgânicos e inorgânicos na mesma estrutura cristalina. Nesse artigo, os pesquisadores exploraram uma nova forma de compreendê-los, ao demonstrarem que a forma como os octaedros se conectam controla fenômenos e pode orientar o desenvolvimento de novas tecnologias.

“Imagine um brinquedo de montar feito de pequenas peças idênticas. Dependendo de como essas peças são conectadas, o resultado pode ser muito diferente: uma torre, uma ponte, uma parede ou uma estrutura nova e complexa. Na ciência dos materiais, algo parecido acontece com as perovskitas híbridas de haletos, que tem despertado muita atenção por seu grande potencial em tecnologias como células solares, LEDs, sensores e dispositivos quânticos”, exemplificam. 



No referido artigo, os pesquisadores mostram justamente isso: a forma como os blocos atômicos das perovskitas híbridas se conectam, formando octaedros, pode mudar profundamente seu comportamento. Em vez de tratar a estrutura como um detalhe da ligação química, os autores defendem que a dimensionalidade — isto é, se o material se organiza como uma rede tridimensional, camadas bidimensionais, cadeias unidimensionais ou unidades isoladas — funciona como uma verdadeira ferramenta de projeto para gerar novas propriedades físicas. 


O que significa “dimensionalidade” nesse caso? 

Quando ouvimos falar em 3D, 2D, 1D e 0D, podemos pensar em objetos do cotidiano: um cubo, uma folha, um fio e um ponto. Nos haletos metálicos híbridos, essa ideia está relacionada à forma como os octaedros — pequenos blocos de oito lados formados por um metal no centro, cercado por mais seis átomos de haleto — conectam-se entre si.

Se esses blocos se conectam em todas as direções, temos uma estrutura 3D. Se se conectam apenas em planos, temos uma estrutura 2D. Se formam apenas fileiras ou correntes, a estrutura é 1D. E, quando esses blocos ficam isolados, sem conexão direta entre si, o material é 0D.



Essa mudança aparentemente geométrica tem consequências enormes. Ela altera o modo como a luz é absorvida, como as cargas elétricas se movem, como os átomos vibram e até como o spin dos elétrons pode se comportar. Em outras palavras, mudar a dimensionalidade é uma forma de mudar o “funcionamento interno” do material. 


Por que isso é importante? 

Durante muito tempo, muitos estudos trataram esses materiais, principalmente, do ponto de vista da aplicação: qual gera mais eletricidade, qual emite melhor luz, qual é mais estável etc. Este artigo, porém, propõe uma visão mais profunda: argumenta que a dimensionalidade não deve ser vista apenas como uma classificação estrutural, mas como um princípio físico organizador, capaz de explicar por que certas propriedades aparecem.

“Essa é uma mudança importante. Em vez de descobrir novos materiais apenas por tentativas experimentais, os cientistas podem começar a desenhá-los de forma mais racional, entendendo quais conexões estruturais favorecem certos fenômenos”, afirmam os pesquisadores. 


Fenômenos “emergentes”: quando o todo é mais do que a soma das partes 

Um dos conceitos centrais do artigo é o de fenômenos emergentes – comportamentos que não podem ser explicados observando-se apenas um átomo ou uma ligação química isolada. Eles surgem quando muitos componentes interagem ao mesmo tempo, produzindo algo novo. Nas perovskitas híbridas, a redução da dimensionalidade pode favorecer vários desses fenômenos, dentre os quais: éxcitons fortemente ligados; éxcitons e polarons autoaprisionados; reciclagem de fótons; funilamento e transferência de energia; efeitos de spin e polarização.

Esses efeitos não aparecem do mesmo modo em todas as dimensionalidades. Em materiais 3D, por exemplo, os portadores de carga tendem a se mover com mais facilidade – o que é ótimo para células solares. Já em materiais 2D, 1D e 0D, a carga e a luz podem ficar mais confinadas, o que favorece emissões ópticas intensas e novos regimes excitônicos.

Os autores mostram que, à medida que passamos de 3D para 0D, o material sofre uma transformação profunda.

Nos materiais 3D, a rede é contínua e favorece o transporte de cargas. Por isso, eles se tornaram referência em células solares e outros dispositivos optoeletrônicos.

Nos materiais 2D, surgem camadas separadas por moléculas orgânicas. Isso aumenta o confinamento quântico e dielétrico, fortalecendo a interação entre elétrons e lacunas. O resultado é o aparecimento de éxcitons muito mais estáveis e de propriedades ópticas bastante marcantes. Esses sistemas também costumam apresentar maior resistência à umidade e degradação do que muitos análogos 3D.

Nos materiais 1D, a conectividade fica ainda mais limitada. Isso favorece distorções estruturais, interações fortes entre excitações eletrônicas e vibrações da rede e, em muitos casos, emissão larga de luz branca. É um comportamento muito interessante para aplicações em iluminação.

Nos materiais 0D, os blocos estruturais ficam isolados. Nesse limite, as excitações ficam extremamente localizadas, e o material passa a ter comportamento mais próximo do de “centros emissores” individuais. Isso é valioso, por exemplo, para a emissão de fóton único, uma tecnologia importante em informação quântica. 


Mais do que uma classificação: uma rota para novas tecnologias 

A grande contribuição do artigo é mostrar que essas diferentes dimensionalidades não representam apenas “versões” do mesmo material, mas sim regimes físicos distintos, cada um com seus próprios mecanismos e oportunidades. 

Isso significa que a escolha da dimensionalidade pode ser usada para desenhar materiais para objetivos específicos. Se o interesse é o transporte eficiente de cargas, estruturas 3D podem ser mais adequadas. Se o foco é a emissão intensa de luz ou fenômenos excitônicos fortes, estruturas 2D ou 1D podem ser melhores. Se a meta é a emissão altamente localizada para dispositivos quânticos, sistemas 0D ganham destaque.

O artigo também enfatiza que essa relação entre estrutura e propriedade é mais complexa do que parece. Não basta saber se o material é 2D ou 3D. Também entram em jogo fatores como desordem estrutural, vibrações da rede, defeitos, flutuações locais e quebras de simetria. Por isso, os autores defendem que a ciência precisa ir além de descrições estáticas e desenvolver modelos mais dinâmicos e realistas. 


Por que esse trabalho é relevante para o futuro? 

Esse tipo de estudo é importante porque ajuda a transformar uma área ainda muito baseada em observações empíricas em uma área mais preditiva. Em vez de apenas observar que um material funciona bem, passamos a entender por que ele funciona bem e como podemos melhorá-lo.

Na prática, isso pode acelerar o desenvolvimento de novas gerações de materiais para: 

• energia solar;
• LEDs mais eficientes;
• detectores de luz;
• dispositivos spintrônicos;
• tecnologias quânticas. 

 

Mais do que isso, um artigo em visão de perspectiva oferece uma visão ampla, crítica e integradora. Ele organiza uma grande quantidade de resultados da literatura em torno de uma ideia central simples, mas poderosa: a conectividade estrutural controla os fenômenos físicos emergentes. A maneira como os blocos do cristal se conectam muda não apenas a forma do material, mas também o modo como ele interage com luz, carga, spin e vibrações. Essa mudança de dimensionalidade faz surgir novos fenômenos e abre caminhos para novas aplicações tecnológicas.

Por isso, compreender a dimensionalidade não é apenas entender a estrutura de um cristal. É entender como criar materiais do futuro com propriedades sob medida. Essa é a força do trabalho: mostrar que a geometria atômica, quando bem compreendida, pode se tornar uma ferramenta poderosa para a inovação científica e tecnológica. 

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*A íntegra do artigo está disponível em: 

Dimensionality-Driven Emerging Phenomena in Hybrid Metal Halides 
Revista Small Structures (IF 8.9)
Editora Willey 
Autores: José R. Franca, Lucas A. R. Santana, Cássio C. S. Soares, Carlos Mera Acosta, Gustavo M. Dalpian, Jose Antonio Souza

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Financiamento:

Materials by design: from quantum materials to energy applications
Projeto Temático FAPESP no. 2023/09820-2

Center of Molecular Engineering for Advanced Materials
CEPID FAPESP no. 2024/00989-7

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Superintendência de Comunicação da UFABC 
Com informações do Prof. Dr. José Antonio Souza (UFABC/CCNH)