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ARTIGOS DE OPINIÃO

O Prêmio Nobel de Física 2010 na ponta do lápis.


O carbono é o elemento mais intrigante da Tabela Periódica. É o sexto elemento em abundância na natureza. A capacidade do carbono de formar diferentes tipos de ligações e, assim, complicadas cadeias, quando combinado com oxigênio, hidrogênio e nitrogênio é algo especial, não havendo nenhum outro elemento na natureza com tais propriedades, capaz de formar algo em torno de 16 milhões de compostos.

O carbono elementar é especial, uma vez que o mesmo forma um conjunto de estruturas muito diferentes, com propriedades e fenômenos únicos, constituindo-se em materiais muito importantes para a ciência básica e estratégicos para as tecnologias das últimas, das atuais e das próximas décadas. Além do diamante e grafite, conhecidos desde a antiguidade, foram descobertos, nas décadas de 80 e 90, respectivamente, os fulerenos e os nanotubos de carbono. Os materiais carbonosos podem ser obtidos com diferentes dimensionalidades, ou seja: cristais de diamante tem estruturas 3D; grafite, quase-2D; nanotubos de carbono 1D e fulerenos 0D.

Fato curioso é que a forma bidimensional, chamada grafeno, estrutura-mãe do grafite, dos nanotubos e dos fulerenos (Figura 1), ainda não tinha sido manipulada e medida no laboratório, e portanto nunca observada de forma individualizada. Do ponto de vista teórico, as propriedades eletrônicas desse sólido - com arranjo hexagonal de átomos semelhante a um "favo de mel" e com um átomo de espessura (completamente bidimensional) -, foram estudadas na década de 40 e serviram de base para o entendimento da física do grafite, dos nanotubos de carbono e dos fulerenos.




Figura 1. Ilustração mostrando o caráter "materno" do grafeno em relação aos fulerenos, nanotubos e grafite. Adaptado da referência A. K. Geim e K. S. Novoselov, Nature Materials 6, 183 (2007).


Durante muito tempo, diversos grupos trabalharam na tentativa de sintetizar o grafeno, contudo, a estrutura planar, com as chamadas ligações erráticas (não completas), rapidamente levavam ao colapso estrutural, dando origem a outros alótropos do carbono, com estruturas mais estáveis. Tais dificuldades de sintetizar o grafeno eram interpretadas à luz das teorias existentes, segundo as quais "materiais bidimensionais de carbono não seriam termodinamicamente estáveis".

Em 2004, os físicos Andre Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester, no Reino Unido, usaram um método extremamente simples para obtenção do grafeno, livrando-se de todos os aspectos relativos à instabilidade. Valeram-se do método que, nas metodologias da nanotecnologia, é conhecido como top-down (de cima para baixo). Para isso, partiram de um cristal de grafite e, através do processo de esfoliação, usando fita adesiva, obtiveram fisicamente uma camada de grafeno, um cristal verdadeiramente bidimensional, com a menor espessura possível: apenas um átomo! Esse processo, chamado de microclivagem mecânica, não permite a obtenção deste material em grande escala, mas a obtenção do mesmo permitiu inaugurar uma nova área de pesquisa nas ciências e engenharia de materiais.




Andre Geim 52 (direita) e Konstantin Novoselov 36 (esquerda) foram laureados com o Nobel de Física 2010.

Créditos: Universidade de Manchester.


Usando método similar foram preparados diferentes materiais bidimensionais tais como nitreto de boro, alguns dicalcogenetos e mesmo supercondutores de alta temperatura, como o Bi-Sr-Ca-Cu-O. Do ponto de vista da obtenção dos materiais 2D, o trabalho pioneiro de Geim e Novoselov estabeleceu um ponto fundamental: cristais bidimensionais existem e são termodinamicamente estáveis nas condições ambientes.

Com base neste método de obtenção, camadas de grafeno extraídas do cristal de grafite foram transferidas para um substrato de silício e estudadas por diversas técnicas experimentais, bastante conhecidas da física de semicondutores. Vários fenômenos foram surgindo e uma nova área da física inaugurada. O prêmio Nobel de Física de 2010, apenas 6 anos após a publicação do primeiro trabalho, coroa, em tão pouco tempo, o grande impacto científico das propriedades do grafeno.

Apresentamos a seguir alguns pontos que fazem do grafeno um material muito especial, não só em termos dos fenômenos fundamentais, mas também de sua potencialidade frente às aplicações tecnológicas.


Um mina de ouro para os físicos

Vários fenômenos fundamentais, estudados no grafeno, podem ser explorados para aplicações tecnólogicas em diferentes áreas do conhecimento. O fato de ser bidimensional, particularmente atrai os físicos. Em geral, os problemas nessa dimensão revelam peculiaridades que não figuram em uma ou três dimensões. A combinação de propriedades eletrônicas e mecânicas peculiares tem permitido uma gama de propostas de aplicações para esse material verdadeiramante bidimensional. Os elétrons no grafeno possuem uma propriedade singular: se comportam como partículas sem massa, ou seja, se propagam no grafeno como se fosse luz se propagando no vácuo. Sem dúvida, a velocidade desses elétrons é bem mais baixa que a velocidade da luz, sendo apenas 1/300 da velocidade dos fótons. Mas foi exatamente essa baixa velocidade baixa que fez com que fenômenos puramente relativísticos fossem observados e estudados em um sistema bastante simples, em um laboratório comum de matéria condensada, sem necessidade do uso de laboratórios de altas energias, tais como aceleradores, restritos apenas a alguns laboratórios sofisticados. Diversas outras propriedades foram observadas nesse sistema, em função de suas propriedades eletrônicas especiais. Os elétrons se propagam por uma distância muito grande, sem que sejam espalhados, o que leva o sistema a possuir um dos maiores valores de mobilidade eletrônica já observado em laboratório, propriedade fundamental na eletrônica moderna. O fraco acoplamento spin-órbita permite aos elétrons viajar por frações de mícrons, preservando assim suas características intrínsecas e permitindo que o grafeno seja usado como válvula de spin, propriedade fundamental para o desenvolvimento da computação quântica.

Fenômenos genuinamente relativísticos, tais como fase de Berry e tunelamento de Klein, foram medidos com sucesso no grafeno. O Efeito Hall quântico nesse material se diferencia daquele observado em semincodutores e metais e a natureza dos portadores permite a observação de efeitos quânticos à temperatura ambiente.

A estabilidade química, o elevado potencial de poder ser obtido em grande escala, dada a matéria-prima abundante e barata, além da completa compatibilidade do grafeno com a tecnologia do silício pavimenta o caminho para uma nova geração de dispositivos operando com uma eletrônica baseada no carbono.

Os superlativos para o grafeno são inúmeros. Ele é, de longe, o material com maior área superficial. Em números, uma grama de grafeno é suficiente para cobrir alguns campos de futebol. Tal propriedade é extremamente importante para diversas aplicações. É o material mais rígido e mais resistente já medido em laboratório, sendo também o mais elástico. É interessante observar que, no "statement" do Prêmio Nobel de Física de 2010, o prêmio foi concedido em função das propriedades especiais desse material já descobertas e não pela descoberta do grafeno. ("for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene").


Algumas realizações

Transistores ultrapequenos

Em 2008, a equipe de Manchester criou um transistor de grafeno com 1 nanômetro de tamanho, ou seja, trata-se de um transistor com apenas um átomo de espessura e 10 átomos de largura. Este não é apenas menor do que o menor transistor de silício que pode ser fabricado. Segundo Novoselov, ele poderia muito bem representar o limite físico absoluto da Lei de Moore, a qual rege a diminuição da dimensão e velocidade crescente de processadores de computador.


Armazenamento de dados com alta densidade

Um novo tipo de memória flash, usando o grafeno como material de base, foi desenvolvido na Rice University (EUA), em 2008. Esta memória foi a mais densa e menos susceptível a perdas já obtida por qualquer tecnologia de armazenamento de dados existente no mercado. Dois pesquisadores da Universidade da South Florida (EUA) relataram, no início deste ano, técnicas para melhorar e orientar a condutividade do grafeno através da criação de linhas de defeitos visando transportar a corrente em fitas de grafeno.


Um sensor especial

O grafeno é um material que, por definição, possui apenas superfície, melhor dizendo: a razão superfície/volume, nesse sistema, tende a infinito. Esta propriedade tem sido usada para desenvolvimento de sensores de uma única molécula. A estrutura eletrônica do grafeno é muito sensível à adsorção de moléculas doadoras ou aceitadoras. Foi mostrado que mudanças na resistividade Hall permitem a detecção de moléculas individuais. Isto só é possível porque o grafeno é um sistema que apresenta um ruído eletrônico muito baixo, permitindo identificar elétrons individuais mesmo à temperatura ambiente.


Armazenamento de energia

As aplicações em energia do grafeno são também extremamente ricas. A empresa Grafeno Texas Energia (EUA) está usando o grafeno para criar novos ultracondensadores para armazenar e transmitir energia elétrica. As empresas que atualmente vêm usando nanotubos de carbono para criar vestimentas eletrônicas - roupas que podem alimentar e carregar aparelhos elétricos -, estão começando a migrar para o grafeno, que é mais fino e potencialmente de produção mais barata. Grande parte da pesquisa emergente é dedicada à elaboração de novas maneiras de produzir grafeno de forma rápida, barata e em grandes quantidades.


Células solares e telas "touchscreen" flexíveis

Uma equipe da Universidade de Cambridge (Reino Unido) afirma, em artigo publicado na revista Nature Photonics, que o verdadeiro potencial do grafeno está em sua capacidade de conduzir luz e eletricidade. Segundo ela, as características do grafeno e sua sensibilidade à luz não somente podem melhorar a eficiência das células solares e LEDs, mas também contribuir para a produção da próxima geração de dispositivos, tais como: telas flexíveis sensíveis ao toque, fotodetectores e lasers ultrarrápidos. Em particular, o grafeno poderia substituir metais raros e caros, como a platina e o índio, executando as mesmas tarefas, com maior eficiência, e representando apenas uma fração do custo atual.


A pesquisa em grafeno no Brasil

Diversos grupos experimentais e teóricos têm dado contribuições importantes ao estudo do grafeno, incluindo a síntese, propriedades vibracionais, eletrônicas, ópticas e de transporte eletrônico, com produção científica significativa. O grafeno é um dos temas de pesquisa do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) de Nanomateriais de Carbono, sediado no Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais. O evento Graphene Brazil (http://graphenebrazil.com/), a ser realizado em dezembro de 2010, contará com grandes nomes desta área do conhecimento, inclusive com a presença do laureado Nobel de Física 2010, Konstantin Novoselov. Tal evento está inserido nas atividades do INCT de Nanomateriais de Carbono.


Antonio Gomes de Souza Filho (professor Adjunto III do Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará) http://www.fisica.ufc.br/agsf.

Oswaldo Luiz Alves (professor titular do Instituto de Química da Unicamp) http://lqes.iqm.unicamp.br.


LQES NEWS Ano IX - n. 207, 02 de novembro de 2010.


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