Alguns dos materiais mais promissores para tecnologias futuras vêm em camadas apenas um átomo de espessura – grafeno, por exemplo, uma folha de átomos de carbono dispostos em uma treliça hexagonal, valorizada por sua resistência e condutividade excepcionais. Enquanto centenas desses materiais existem, realmente se fundindo em algo novo permaneceu um desafio. A maioria dos esforços simplesmente empilham essas folhas finas de átomos como um baralho de cartas, mas as camadas geralmente não têm interação significativa entre elas.
Uma equipe internacional de pesquisadores liderados por cientistas de Rice College Supplies conseguiu criar um híbrido 2D genuíno integrando quimicamente dois materiais 2D fundamentalmente diferentes – grafeno e vidro de sílica – em um único composto estável chamado glefene, de acordo com um estudo publicado em Materiais avançados.
“As camadas não se apóiam apenas – os elétrons se movem e formam novas interações e estados de vibração, dando origem a propriedades que nenhum dos materiais tem por conta própria”, disse Sathvik Iyengar, um estudante de doutorado em Rice e um primeiro autor no estudo.
Mais importante, explicou Iyengar, o método poderia se aplicar a uma ampla gama de materiais 2D, permitindo o desenvolvimento de híbridos 2D do Designer para eletrônicos, fotônicos e dispositivos quânticos de próxima geração.
“Ele abre a porta para combinar courses totalmente novas de materiais 2D-como metais com isoladores ou ímãs com semicondutores-para criar materiais personalizados a partir do zero”, disse Iyengar.
A equipe desenvolveu um método de reação única em duas etapas para cultivar glefeno usando um precursor químico líquido que contém silício e carbono. Ao ajustar os níveis de oxigênio durante o aquecimento, eles cultivaram grafeno primeiro mudaram as condições para favorecer a formação de uma camada de sílica. Isso exigiu um aparelho personalizado de alta temperatura e baixa pressão projetado ao longo de vários meses em colaboração com a Anchal Srivastava, um professor visitante da Universidade Hindu de Banaras na Índia.
“Essa configuração foi o que tornou possível a síntese”, disse Iyengar. “O materials resultante é um verdadeiro híbrido com novas propriedades eletrônicas e estruturais”.
Depois que o materials foi sintetizado, a equipe de Rice trabalhou na confirmação de sua estrutura com Manoj Tripathi e Alan Dalton na Universidade de Sussex. Uma das primeiras pistas de que Glafene period algo novo veio de uma anomalia. Quando a equipe analisou o materials usando a espectroscopia Raman – uma técnica que detecta como os átomos vibram medindo mudanças sutis na luz laser dispersa – eles encontraram sinais que não correspondiam ao grafeno ou sílica. Esses recursos vibracionais inesperados sugeriram uma interação mais profunda entre as camadas.
Na maioria das pilhas de materiais 2D, as camadas simplesmente se sentam no lugar, mantidas unidas como ímãs na porta da geladeira. Mas, no glafeno, as camadas travam muito mais do que o que é chamado de ligações fracas de van der Waals, permitindo que os elétrons fluam entre eles e dando origem a comportamentos totalmente novos.
Para investigar ainda mais, Iyengar consultou Marcos Pimenta, especialista em espectroscopia com sede no Brasil. Por fim, a anomalia acabou sendo um artefato – um lembrete importante, disse Iyengar, que mesmo os resultados reproduzíveis devem ser tratados com cautela.
Para entender melhor como as camadas ligadas se comportam no nível atômico, a equipe colaborou com Vincent Meunier na Universidade Estadual da Pensilvânia para verificar os resultados experimentais contra simulações quânticas. Eles confirmaram que as camadas de grafeno e sílica interagem e ligam de uma maneira única, compartilhando parcialmente elétrons na interface. Essa ligação híbrida altera a estrutura e o comportamento do materials, transformando um steel e um isolador em um novo tipo de semicondutor.
“Isso não period algo que apenas um laboratório poderia fazer”, disse Iyengar, que recentemente passou um ano no Japão como membro da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (JSPs), e também um destinatário inaugural da Quad Fellowship, um programa lançado pela Política e Diplata dos EUA, India, Australia e Japão, para apoiar os primeiros cientistas de carreira na exploração de como a ciência, a política e a Diplomacia e “Esta pesquisa foi um esforço cruzado para criar e entender que uma natureza materials não faz por conta própria”.
Pulickel Ajayan, Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson, professor de engenharia e professor de ciência e nanoengenharia de materiais, disseram que, embora a descoberta do glafeno seja significativa por si só, o que torna a pesquisa realmente emocionante é o método mais amplo que introduz – uma nova plataforma para combinar quimicamente combinando fundamentalmente diferentes materiais 2D.
A pesquisa reflete um princípio orientador que Iyengar diz que herdou de seu consultor.
“Desde que comecei meu Ph.D., meu consultor me incentivou a explorar idéias de mistura que outros hesitam em misturar”, disse ele, citando Ajayan, que é um autor correspondente no estudo ao lado de Meunier. “O professor Ajayan também disse que a verdadeira inovação acontece nos cruzamentos de hesitação – e este projeto é uma prova disso”.
A pesquisa foi apoiada pelo programa Quad Fellowship; o projeto colaborativo do estado de Rice-Penn financiado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-23-1-0447); o Programa de Bolsas de Pesquisa da Nationwide Science Basis (2236422); o Fundo de Desenvolvimento da Estratégia Sussex; Instituto de Ciênia e Tecnologia de Nanomateriais de Carbono; Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais; e o Conselho Nacional Brasileiro de Desenvolvimento Científico e Tecnológico. O conteúdo aqui é exclusivamente de responsabilidade dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais das organizações e instituições de financiamento.
Iyengar, Srivastava, Meunier e Ajayan expressam interesse em buscar propriedade intelectual, e um pedido provisório dos EUA nessa tecnologia foi arquivado.
