Usando “partículas irregulares” como modelo para a estrutura atômica do grafeno, os pesquisadores obtiveram novos insights sobre a formação e evolução de defeitos em materiais bidimensionais. Este estudo inovador revela a formação inicial e o reparo subsequente do defeito mais comum, o que tem implicações importantes para a futura engenharia e aplicação desses materiais.
O grafeno é incomparável em termos de força entre todos os materiais conhecidos. Além de sua robustez incomparável, sua condutividade superior de calor e eletricidade o torna um material incrivelmente versátil e único. As propriedades inéditas do grafeno foram tão marcantes que sua descoberta foi agraciada com o Prêmio Nobel de Física em 2010. No entanto, nosso entendimento sobre esse material e suas substâncias relacionadas permanece bastante incompleto, principalmente devido ao imenso desafio em observar os átomos que os constituem . Para superar esse obstáculo, um esforço de pesquisa colaborativo da Universidade de Amsterdã e da Universidade de Nova York descobriu uma solução inesperada.
Materiais que existem em duas dimensões, compostos por uma camada ultrafina e singular de cristais atômicos, têm recebido considerável interesse nos últimos tempos. Esse interesse elevado é atribuído em grande parte aos seus atributos atípicos, que diferem significativamente de suas contrapartes tridimensionais “em massa”.
O grafeno, o representante mais famoso, e muitos outros materiais bidimensionais, são hoje intensamente pesquisados em laboratório. Talvez surpreendentemente, cruciais para as propriedades especiais desses materiais são os defeitos, locais onde a estrutura do cristal não é perfeita. Lá, o arranjo ordenado da camada de átomos é perturbado e a coordenação dos átomos muda localmente.
Visualizando átomos
Apesar do fato de que os defeitos têm se mostrado cruciais para as propriedades de um material, e quase sempre estão presentes ou adicionados de propósito, pouco se sabe sobre como eles se formam e como evoluem com o tempo. A razão para isso é simples: os átomos são muito pequenos e se movem muito rápido para segui-los diretamente.
Em um esforço para tornar observáveis os defeitos em materiais semelhantes ao grafeno, a equipe de pesquisadores, do UvA-Institute of Physics e da New York University, encontrou uma maneira de construir modelos de grafeno atômico do tamanho de micrômetros. Para conseguir isso, eles usaram as chamadas “partículas irregulares”.
Essas partículas – grandes o suficiente para serem facilmente visíveis em um microscópio, mas pequenas o suficiente para reproduzir muitas das propriedades dos átomos reais – interagem com a mesma coordenação dos átomos no grafeno e formam a mesma estrutura. Os pesquisadores construíram um sistema modelo e o usaram para obter informações sobre defeitos, sua formação e evolução com o tempo. Seus resultados foram publicados recentemente na revista científica Nature Communications.
Construindo grafeno
O grafeno é composto de átomos de carbono, cada um com três vizinhos, dispostos na conhecida estrutura de “favo de mel”. É esta estrutura especial que confere ao grafeno suas propriedades mecânicas e eletrônicas únicas. Para obter a mesma estrutura em seu modelo, os pesquisadores usaram minúsculas partículas feitas de poliestireno, decoradas com três remendos ainda menores de um material conhecido como 3-(trimetoxissilil)propil – ou TPM, para abreviar.
A configuração dos patches TPM imitou a coordenação de átomos de carbono na rede de grafeno. Os pesquisadores então tornaram os patches atraentes para que as partículas pudessem formar ligações umas com as outras, novamente em analogia com os átomos de carbono no grafeno.
Depois de serem deixadas sozinhas por algumas horas, quando observadas sob um microscópio, as partículas de “carbono simulado” acabaram se organizando em uma rede de favo de mel. Os pesquisadores então analisaram com mais detalhes os defeitos na rede do grafeno modelo. Eles observaram que também nesse aspecto o modelo funcionou: mostrou motivos de defeitos característicos que também são conhecidos do grafeno atômico. Ao contrário do grafeno real, a observação direta e o longo tempo de formação do modelo agora permitiam aos físicos acompanhar esses defeitos desde o início de sua formação até a integração na rede.
Resultados inesperados
O novo olhar sobre o crescimento de materiais semelhantes ao grafeno imediatamente levou a novos conhecimentos sobre essas estruturas bidimensionais. Inesperadamente, os pesquisadores descobriram que o tipo mais comum de defeito já se forma nos estágios iniciais de crescimento, quando a treliça ainda não está estabelecida. Eles também observaram como a incompatibilidade da rede é então “reparada” por outro defeito, levando a uma configuração de defeito estável, que permanece ou apenas se cura muito lentamente para uma rede mais perfeita.
Assim, o sistema modelo não só permite reconstruir a rede do grafeno em uma escala maior para todos os tipos de aplicações, mas as observações diretas também permitem insights sobre a dinâmica atômica nessa classe de materiais. Como os defeitos são essenciais para as propriedades de todos os materiais atomicamente finos, essas observações diretas em sistemas modelo ajudam a projetar ainda mais as contrapartes atômicas, por exemplo, para aplicações em materiais ultraleves e dispositivos ópticos e eletrônicos.
Publicado em 03/06/2023 22h18
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