Novas pesquisas de engenheiros da Universidade de Illinois combinam experimentação em escala atômica com modelagem computacional para determinar quanta energia é necessária para dobrar o grafeno multicamada – uma questão que escapou aos cientistas desde que o grafeno foi isolado pela primeira vez. Os resultados são relatados na revista Nature Materials.
O grafeno – uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma treliça – é o material mais forte do mundo e tão fino que é flexível, disseram os pesquisadores. É considerado um dos principais ingredientes das futuras tecnologias.
A maioria das pesquisas atuais sobre grafeno tem como objetivo o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos em nanoescala. No entanto, os pesquisadores dizem que muitas tecnologias – de eletrônicos elásticos a robôs minúsculos, tão pequenos que não podem ser vistos a olho nu – exigem uma compreensão da mecânica do grafeno, particularmente como ele se flexiona e dobra, para liberar seu potencial.
“A rigidez à flexão de um material é uma de suas propriedades mecânicas mais fundamentais”, disse Edmund Han, estudante de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais e co-autor do estudo. “Embora estudemos o grafeno há duas décadas, ainda precisamos resolver essa propriedade fundamental. O motivo é que diferentes grupos de pesquisa criaram respostas diferentes que abrangem ordens de magnitude”.
A equipe descobriu por que os esforços de pesquisa anteriores discordavam. “Eles estavam dobrando um pouco o material ou dobrando muito”, disse Jaehyung Yu, estudante de graduação em engenharia mecânica e ciência e co-autor do estudo. “Mas descobrimos que o grafeno se comporta de maneira diferente nessas duas situações. Quando você dobra um pouco o grafeno multicamada, ele age mais como uma placa rígida ou como um pedaço de madeira. Quando você o dobra muito, ele age como uma pilha de papéis, onde camadas atômicas podem deslizar umas sobre as outras “.
“O que é empolgante neste trabalho é que mostra que, embora todos discordassem, na verdade estavam todos corretos”, disse Arend van der Zande, professor de ciência mecânica e co-autor de engenharia e estudo. “Todo grupo estava medindo algo diferente. O que descobrimos é um modelo para explicar toda a discordância, mostrando como todos se relacionam através de diferentes graus de flexão”.
Para produzir o grafeno dobrado, Yu fabricou camadas atômicas individuais de nitreto de boro hexagonal, outro material 2-D, em etapas de escala atômica, e depois estampou o grafeno por cima. Usando um feixe de íons focado, Han cortou uma fatia do material e fotografou a estrutura atômica com um microscópio eletrônico para ver onde cada camada de grafeno estava assentada.
A equipe desenvolveu um conjunto de equações e simulações para calcular a rigidez à flexão usando o formato da curva de grafeno.
Ao colocar várias camadas de grafeno em uma etapa de apenas um a cinco átomos de altura, os pesquisadores criaram uma maneira controlada e precisa de medir como o material se curvaria sobre a etapa em diferentes configurações.
“Nesta estrutura simples, existem dois tipos de forças envolvidas na flexão do grafeno”, disse Pinshane Huang, professor de ciência e engenharia de materiais e coautor do estudo. “A adesão, ou a atração de átomos à superfície, tenta puxar o material para baixo. Quanto mais rígido o material, mais ele tenta se soltar, resistindo à atração de adesão. A forma que o grafeno assume as etapas atômicas codifica todas as informações sobre a rigidez do material “.
O estudo controlou sistematicamente exatamente quanto o material dobrou e como as propriedades do grafeno foram alteradas.
“Como estudamos o grafeno dobrado em diferentes quantidades, pudemos ver a transição de um regime para outro, do rígido para o flexível e do comportamento da chapa para a chapa”, disse Elif Ertekin, professor de ciências e engenharia mecânica, que liderou a parte de modelagem de computadores da pesquisa. “Construímos modelos em escala atômica para mostrar que a razão pela qual isso poderia acontecer é que as camadas individuais podem deslizar umas sobre as outras. Depois que tivemos essa idéia, pudemos usar o microscópio eletrônico para confirmar o deslizamento entre as camadas individuais”.
Os novos resultados têm implicações para a criação de máquinas pequenas e flexíveis o suficiente para interagir com células ou material biológico, disseram os pesquisadores.
“As células podem mudar de forma e responder ao seu ambiente. Se quisermos avançar na direção de micro-robôs ou sistemas com capacidade de sistemas biológicos, precisamos ter sistemas eletrônicos que possam mudar de forma e também serem muito suaves, “disse van der Zande. “Tirando proveito do deslizamento entre camadas, mostramos que o grafeno pode ser de magnitude mais suave que os materiais convencionais da mesma espessura”.
Publicado em 20/11/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-11-graphene-softer.html
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