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O grafeno é o mais forte de todos os materiais. Além disso, é excepcionalmente bom na condução de calor e correntes elétricas, tornando-o um dos materiais mais especiais e versáteis que conhecemos. Por todas essas razões, a descoberta do grafeno rendeu o Prêmio Nobel de Física em 2010. No entanto, muitas propriedades do material e seus primos ainda são mal compreendidas – pela simples razão de que os átomos de que são feitos são muito difíceis de entender. Observar. Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Amsterdã e da Universidade de Nova York agora encontrou uma maneira surpreendente de resolver esse problema.
Materiais bidimensionais, consistindo de uma única camada hiperfina de cristal atômico, têm atraído muita atenção recentemente. Essa atenção merecida se deve principalmente às suas propriedades incomuns, muito diferentes de suas contrapartes tridimensionais ‘volumosas’. 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 defeitos, locais onde a estrutura cristalina 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, não se sabe muito 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 tamanho de micrômetros de grafeno atômico. 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 os defeitos, sua formação e evolução com o tempo. Seus resultados foram publicados na Nature Communications esta semana.
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-(trimetoxisilil)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 fundamentais 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.
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