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Materiais Avançados

Descoberta versão 3D do grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/01/2014

Descoberta uma versão 3D do grafeno
O análogo 3D do grafeno poderá permitir a substituição da eletrônica pela spintrônica.
[Imagem: Zhongkai Liu et al./Science]

Grafeno 3D

O grafeno vem sendo saudado como material maravilha graças às propriedades derivadas de sua natureza bidimensional, uma folha com apenas um átomo de espessura - um grafeno multidimensional seria melhor descrito como grafite.

Contudo, pesquisadores anunciaram uma descoberta inusitada: um material que não é feito de carbono, mas que essencialmente se comporta como um grafeno 3D, com todas as vantagens derivadas disso.

Esse material inusitado poderá representar um salto qualitativo para a indústria de alta tecnologia, incluindo transistores muito mais rápidos e discos rígidos muito mais compactos, apenas para citar as aplicações mais populares.

Essencialmente, um análogo 3D do grafeno poderá permitir a substituição da eletrônica pela spintrônica, uma tecnologia emergente na qual os circuitos transmitem informações usando os campos magnéticos dos elétrons, em vez de suas cargas elétricas.

Matéria quântica

O novo material é um composto de bismuto e sódio - um bismutato de sódio.

Zhongkai Liu e seus colegas dos Laboratórios Berkeley, nos Estados Unidos, descobriram que o bismutato de sódio pode existir em uma forma de matéria quântica conhecida como "semimetal topológico tridimensional de Dirac", ou 3DTDS na sigla em inglês (three-dimensional topological Dirac semi-metal).

Descoberta uma versão 3D do grafeno
São essas curvas que demonstram que o "grafeno 3D" é muito melhor do que seu primo mais magro.
[Imagem: Zhongkai Liu et al./Science]

Esta é a primeira confirmação experimental da existência de férmions 3D de Dirac no interior maciço de um material, um novo estado da matéria que só foi proposto pelos teóricos muito recentemente.

"Um 3DTDS é a contrapartida tridimensional natural do grafeno, com mobilidade e velocidade dos elétrons similares ou ainda melhores," disse Yulin Chen, coautor do experimento.

"Graças aos seus férmions de Dirac 3D no material maciço, um 3DTDS também apresenta uma intrigante magnetorresistência linear não saturável que pode ser ordens de magnitude maior do que os materiais GMR usados hoje nos discos rígidos, e ele abre o caminho para a fabricação de sensores ópticos mais eficientes," acrescentou Chen.

Com isso, o bismutato de sódio contém nada menos do que as principais propriedades de dois dos materiais mais revolucionários pesquisados atualmente: o próprio grafeno e os isolantes topológicos, os atuais astros da spintrônica, materiais cristalinos que são eletricamente isolantes na massa, mas que conduzem na superfície.

Descoberta uma versão 3D do grafeno
Um semimetal topológico de Dirac é uma forma de matéria quântica que compartilha as propriedades de uma série de materiais de interesse científico e tecnológico (círculo à esquerda).
[Imagem: Yulin Chen/Oxford]

Desafios

Mas nem tudo deverá acontecer da noite para o dia.

O bismutato de sódio é instável demais para ser usado em circuitos computacionais sem ser devidamente "embalado".

Outras equipes apresentaram simultaneamente outros compostos que parecem apresentar propriedades similares, mas que também precisam ser estudados mais a fundo.

De qualquer forma, a descoberta levará à busca de materiais similares, eventualmente mais adequados para a construção de circuitos práticos.

Em laboratório, o bismutato de sódio poderá ser utilizado para demonstrar as potenciais aplicações de sistemas 3DTDS, que oferecem algumas vantagens importantes em relação ao grafeno.

"Um sistema 3DTDS poderia proporcionar uma melhoria significativa na eficiência em muitas aplicações em relação ao grafeno por causa de seu volume 3D," analisou Chen. "Além disso, a preparação de filmes atomicamente finos de grafeno de domínio único ainda é um desafio. Poderia ser mais fácil fabricar dispositivos do tipo grafeno para uma ampla gama de aplicações usando sistemas 3DTDS".

Bibliografia:

Artigo: Discovery of a Three-dimensional Topological Dirac Semimetal Na3Bi
Autores: Zhongkai Liu, Bo Zhou, Yi Zhang, Zhijun Wang, Hongming Weng, Dharmalingam Prabhakaran, Sung-Kwan Mo, Zhi-Xun Shen, Zhong Fang, Xi Dai, Zahid Hussain, Yulin Chen
Revista: Science
Vol.: Published Online
DOI: 10.1126/science.1245085






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