Nanotecnologia

Grafeno: até os defeitos são belos e funcionais

Grafeno: até os defeitos são belos e funcionais
Os defeitos no grafeno podem também ser complexos, formando estruturas parecidas com flores. [Imagem: Cockayne,Stroscio/NIST]

Defeito ou virtude?

O grafeno parece cada vez mais fazer por merecer o apelido de "material-maravilha" que lhe tem sido dado desde a sua descoberta, em 2004.

Além de propriedades imbatíveis quando puro, o grafeno apresenta alguns defeitos que bem poderiam ser chamados de virtudes: isto porque os próprios defeitos dão ao material novas funcionalidades.

Os defeitos surgem quando a estrutura atômica dessa folha unidimensional de carbono não se estrutura exatamente em uma rede hexagonal.

Por exemplo, quando o defeito se espalha ao longo da folha de grafeno, cria-se uma espécie de fio metálico unidimensional, capaz de conduzir corrente elétrica por vias bem determinadas, permitindo a criação de componentes eletrônicos com a espessura de um átomo.

Flores de grafeno

Uma equipe do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST), dos Estados Unidos agora descobriu que esses defeitos podem também ser complexos, formando estruturas parecidas com flores.

Os pesquisadores verificaram que os arranjos atômicos "defeituosos" levam à criação de sete estruturas diferentes, que tanto podem ocorrer naturalmente quanto serem induzidas no processo de fabricação do grafeno.

"Conforme o grafeno se forma sob alta temperatura, seções da rede atômica podem se soltar e girar", explica Eric Cockayne, coordenador do experimento. "Quando o grafeno esfria, esses seções rotacionadas ligam-se novamente com a rede, mas de forma irregular."

É quase como se um pedaço do grafeno fosse cortado com um tesoura, girado no sentido horário, e novamente costurado de volta no mesmo lugar. Como o remendo não se encaixa perfeitamente, formam-se belas "flores" no meio da cansativa tela de galinheiro original.

Grafeno: até os defeitos são belos e funcionais
Cortar o grafeno pode ser uma técnica muito prática para estudar as funcionalidades induzidas por seus defeitos. [Imagem: Hongjie Dai, Stanford University, and Michael Crommie et al]

Bordas do grafeno

E cortar o grafeno pode ser uma técnica muito prática para estudar as funcionalidades que essas "ligações cruzadas" entre os átomos induzem no material.

Cientistas da Universidade de Berkeley, nos Estados Unidos, descobriram isso ao estudar as bordas do grafeno.

Dependendo do ângulo em que a folha de grafeno é cortada, os átomos compõem uma borda com um recorte diferente.

E isso é suficiente para que a fita resultante tenha propriedades eletrônicas, magnéticas e ópticas diferentes em comparação com a folha de grafeno como um todo - a largura da fita também influencia essas propriedades.

Grafeno: até os defeitos são belos e funcionais
Ausência de um único átomo de carbono na estrutura do grafeno produziu um momento magnético. [Imagem: UAM]

Magnetismo atômico

A equipe do Dr. Miguel Ugeda, da Universidade Autônoma de Madri, na Espanha, quis ir ao extremo: usando um microscópio de tunelamento, eles capturaram um único átomo de carbono no meio da tela de galinheiro, produzindo o menor defeito possível no grafeno.

O efeito foi surpreendente: a ausência de um único átomo reduziu dramaticamente a mobilidade dos elétrons e, mais importante, criou um momento magnético.

Embora o experimento tenha sido feito em alto vácuo e temperatura de 4K, os dados teóricos garantem que será possível produzir um campo magnético a temperatura ambiente.

Isto abre possibilidades em escala macro e em escala nanométrica. No primeiro caso, pode ser possível fabricar ímãs não-metálicos, flexíveis e muito baratos. No segundo, a spintrônica ganha um enorme reforço com momentos magnéticos produzidos literalmente em escala atômica, com a remoção seletiva dos átomos de carbono do grafeno.

Benção ou maldição?

Sendo o material mais forte que se conhece, a presença de defeitos poderia ser um motivo de preocupações.

Mas os cientistas do NIST argumentam que seus remendos dão flexibilidade ao material, impedindo que ele se quebre quando usado em funções estruturais.

Por outro lado, com um simples recorte sendo capaz de alterar totalmente suas propriedades, o material-maravilha parece ser suscetível demais a pequenas variações no processo produtivo, o que faz vislumbrar um caminho bastante árduo à frente.

"O otimista diz: 'Uau, veja só de quantas maneiras nós podemos controlar esses estados eletrônicos, isto pode gerar tecnologias totalmente novas!' O pessimista diz, 'Oh-oh, olha só quanta coisa pode perturbar o comportamento do grafeno'," brinca o Dr. Michael Crommie, da equipe de Berkeley.

Entre defeitos e incertezas, apenas uma coisa parece certa: os otimistas continuarão trabalhando.

Os defeitos do grafeno também estão por trás de um novo campo de pesquisas, chamado Valetrônica,

Bibliografia:

Grain boundary loops in graphene
E. Cockayne, G. Rutter, N. Guisinger, J. Crain, P. First, J. Stroscio
Physical Review Letters
May 2011
Vol.: 83, 195425 (2011)
DOI: 10.1103/PhysRevB.83.195425

Spatially resolving edge states of chiral graphene nanoribbons
Chenggang Tao, Liying Jiao, Oleg V. Yazyev, Yen-Chia Chen, Juanjuan Feng, Xiaowei Zhang, Rodrigo B. Capaz, James M. Tour, Alex Zettl, Steven G. Louie, Hongjie Dai, Michael F. Crommie
Nature Physics
11 May 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphys1991




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