.
Por décadas, os cientistas têm investigado o potencial de materiais bidimensionais para transformar nosso mundo. Os materiais 2D têm apenas uma única camada de átomos de espessura. Dentro deles, partículas subatômicas como elétrons só podem se mover em duas dimensões. Essa simples restrição pode desencadear um comportamento incomum dos elétrons, imbuindo os materiais de propriedades “exóticas”, como formas bizarras de magnetismo, supercondutividade e outros comportamentos coletivos entre os elétrons – todos os quais podem ser úteis em computação, comunicação, energia e outros campos.
Mas os pesquisadores geralmente assumem que essas propriedades 2D exóticas existem apenas em folhas de camada única ou pilhas curtas. As chamadas versões “em massa” desses materiais – com suas estruturas atômicas 3D mais complexas – devem se comportar de maneira diferente.
Ou então eles pensaram.
Em um artigo publicado em 19 de julho na Nature, uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Washington relata que é possível imbuir grafite – o material 3D em massa encontrado nos lápis nº 2 – com propriedades físicas semelhantes à contraparte 2D do grafite, o grafeno. Essa descoberta não foi apenas inesperada, mas a equipe também acredita que sua abordagem pode ser usada para testar se tipos semelhantes de materiais a granel também podem assumir propriedades semelhantes a 2D. Se assim for, as folhas 2D não serão a única fonte para os cientistas alimentarem as revoluções tecnológicas. Materiais 3D em massa podem ser igualmente úteis.
“Empilhar uma única camada em uma única camada – ou duas camadas em duas camadas – tem sido o foco para desvendar a nova física em materiais 2D há vários anos. Nessas abordagens experimentais, é aí que muitas propriedades interessantes surgem”, disse o autor sênior Matthew Yankowitz, professor assistente de física e de ciência e engenharia de materiais da UW. “Mas o que acontece se você continuar adicionando camadas? Eventualmente, isso terá que parar, certo? Isso é o que a intuição sugere. Mas, neste caso, a intuição está errada. É possível misturar propriedades 2D em materiais 3D.”
A equipe, que também inclui pesquisadores da Universidade de Osaka e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão, adaptou uma abordagem comumente usada para sondar e manipular as propriedades de materiais 2D: empilhar folhas 2D juntas em um pequeno ângulo de torção. Yankowitz e seus colegas colocaram uma única camada de grafeno no topo de um cristal de grafite fino e volumoso e, em seguida, introduziram um ângulo de torção de cerca de 1 grau entre o grafite e o grafeno. Eles detectaram propriedades elétricas novas e inesperadas não apenas na interface torcida, mas também no fundo do grafite a granel.
O ângulo de torção é fundamental para gerar essas propriedades, disse Yankowitz, que também é membro do corpo docente do UW Clean Energy Institute e do UW Institute for Nano-Engineered Systems. Um ângulo de torção entre folhas 2D, como duas folhas de grafeno, cria o que é chamado de padrão moiré, que altera o fluxo de partículas carregadas como elétrons e induz propriedades exóticas no material.
Nos experimentos liderados por UW com grafite e grafeno, o ângulo de torção também induziu um padrão moiré, com resultados surpreendentes. Embora apenas uma única folha de grafeno no topo do cristal fosse torcida, os pesquisadores descobriram que as propriedades elétricas de todo o material diferiam acentuadamente do grafite típico. E quando eles ligaram um campo magnético, os elétrons no fundo do cristal de grafite adotaram propriedades incomuns semelhantes às dos elétrons na interface torcida. Essencialmente, a única interface torcida de grafeno-grafite tornou-se inextricavelmente misturada com o restante do grafite a granel.
“Embora estivéssemos gerando o padrão moiré apenas na superfície do grafite, as propriedades resultantes estavam se espalhando por todo o cristal”, disse o coautor Dacen Waters, pesquisador de pós-doutorado em física da UW.
Para folhas 2D, os padrões moiré geram propriedades que podem ser úteis para a computação quântica e outras aplicações. A indução de fenômenos semelhantes em materiais 3D abre novas abordagens para o estudo de estados incomuns e exóticos da matéria e como trazê-los do laboratório para nossas vidas cotidianas.
“Todo o cristal assume esse estado 2D”, disse o co-autor principal Ellis Thompson, estudante de doutorado em física da UW. “Esta é uma maneira fundamentalmente nova de afetar o comportamento do elétron em um material a granel”.
Yankowitz e sua equipe acreditam que sua abordagem de gerar um ângulo de torção entre o grafeno e um cristal de grafite a granel pode ser usada para criar híbridos 2D-3D de seus materiais irmãos, incluindo ditelureto de tungstênio e pentatelureto de zircônio. Isso pode abrir uma nova abordagem para a reengenharia das propriedades de materiais a granel convencionais usando uma única interface 2D.
“Este método pode se tornar um playground realmente rico para estudar novos fenômenos físicos em materiais com propriedades 2D e 3D mistas”, disse Yankowitz.
Os co-autores no papel são a estudante de pós-graduação da UW Esmeralda Arreguin-Martinez e a pesquisadora de pós-doutorado da UW Yafei Ren, ambas no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais; Ting Cao, professor assistente de ciência e engenharia de materiais da UW; Di Xiao, professor de física da UW e presidente de ciência e engenharia de materiais; Manato Fujimoto da Universidade de Osaka; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão. A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation; o Departamento de Energia dos Estados Unidos; o UW Clean Energy Institute; o Gabinete do Diretor de Inteligência Nacional; a Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia; a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência; o Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão; e o MJ Murdock Charitable Trust.
.
