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Publicado em: 03/03/2011

Pesquisadores da UFF investigam as propriedades físicas do grafeno

Débora Motta

 

Elmo S. Alves e Flavio Plentz/ DF-UFMG

Grafeno: estrutura hexagonal dos átomos de carbono do  material remete ao padrão geométrico dos favos de mel

Um novo material formado por uma película de grafite finíssima, de apenas um átomo de carbono de espessura, pode ser a base para o desenvolvimento de uma geração muito mais veloz de dispositivos de informática. Objeto de estudo da dupla de físicos da Universidade de Manchester Andre Geim e Konstantin Novoselov, ganhadora do prêmio Nobel de Física em 2010, o grafeno apresenta propriedades eletrônicas e mecânicas surpreendentes. “Ele permite uma alta mobilidade dos elétrons, além de ser muito flexível, resistente e impermeável. Essas características podem motivar, no futuro, a criação de dispositivos eletrônicos menores, flexíveis e bem mais eficientes do que os de hoje”, explica o professor Caio Lewenkopf, do Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense (IF/UFF).

 

Para investigar essas propriedades tão peculiares, ele coordena um grupo de pesquisa na instituição que se dedica ao estudo teórico do material. O projeto, contemplado pela FAPERJ com o programa de Auxílio à Pesquisa (APQ1), possibilitou a aquisição de um cluster de computadores dedicados a simulações de modelos que ajudarão a explicar o transporte dos elétrons no grafeno. “As propriedades de condução de elétrons do grafeno ainda são pouco compreendidas. Por isso, estamos empenhados em descrever como funciona o transporte eletrônico nele, para numa etapa posterior propor como controlar a corrente elétrica nesse material”, justifica Lewenkopf, que utiliza conceitos de duas áreas da física no estudo: a mecânica estatística e a mecânica quântica. “A presença de moléculas na superfície do grafeno e defeitos em sua rede cristalina demandam uma análise estatística. Além disso, em muitos aspectos os elétrons em grafeno se comportam como ondas.”

 

De acordo com o físico, que tem pós-doutorado na Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, o grafeno é obtido a partir de um procedimento simples – a esfoliação mecânica do grafite. Este material (o mesmo utilizado em lápis comuns) é formado por diversas “folhas” de carbono empilhadas. Para fabricar o grafeno, é preciso separar essas “folhas” até chegar a uma só camada de carbono. “Os átomos de carbono do grafeno formam uma monocamada onde se organizam em uma rede hexagonal, que lembra o padrão geométrico dos favos de mel”, conta. Apesar de serem tão finas, folhas de grafeno sem defeitos são extremamente resistentes à tração, sendo considerado o material mais duro que existe. “A resistência aumentada do material ocorre devido à disposição espacial dos átomos de carbono, que possibilita aplicações surpreendentes e dramáticas em relação às suas propriedades eletrônicas e mecânicas.”

 

Propriedades inusitadas

 

A condução elétrica excelente do grafeno deve-se à sua espessura – é o material mais fino de que se tem conhecimento – e à sua estrutura atômica hexagonal. “Os elétrons portadores de corrente elétrica que nele fluem são muito menos desviados por impurezas em sua superfície do que aqueles em outros materiais, como os tradicionais fios de cobre da rede elétrica”, explica o professor, lembrando que o mesmo comportamento é encontrado em neutrinos (partículas neutras e fugidias do mundo subatômico que raramente interagem com a matéria). “A pesquisa em grafenos tem se baseado em ideias desenvolvidas nesse campo de conhecimento, aparentemente longínquo”, completa.  

 

Já a maleabilidade do novo material é outra propriedade que intriga os pesquisadores. Uma folha de grafeno apresenta ondulações parecidas com aquelas formadas em um lençol colocado sem muito zelo sobre uma cama. Os elétrons do grafeno percorrem essas sinuosidades como se estivessem surfando em uma superfície bidimensional curva, parecida com montanhas e vales. “Nesse ponto, surge uma analogia surpreendente com a teoria da relatividade geral, na qual um assunto típico é o movimento de uma partícula viajando em um espaço curvo”, destaca Lewenkopf. “A partir daí, especula-se que a curvatura da superfície do grafeno faça com que os elétrons de condução sejam desviados de forma peculiar, não observada em materiais ordinários.”

 

As expectativas para a aplicação do grafeno pela indústria são bastante otimistas. Circuitos eletrônicos à base de grafeno seriam menores e mais rápidos, além de abrir um caminho para a eletrônica flexível. Outras aplicações que podem surgir com base nesse material são células solares, sensores de gases e cristais líquidos à base grafeno para displays. No entanto, essas possibilidades ainda estão restritas a experimentos de laboratório, que demonstram seu princípio de funcionamento. Um dos focos da pesquisa aplicada com grafeno, atualmente, é passar dos experimentos em escala laboratorial para a síntese de dispositivos à base de grafeno em escala industrial. “Em escala industrial ainda não é possível produzir grafeno suficientemente livre de impurezas e defeitos em sua superfície, que suprimem as suas propriedades especiais”, informa.

 

Embora a literatura teórica ainda se encontre um tanto distante da aplicação prática do grafeno, os passos iniciais nessa direção já foram dados. “Há um grande potencial de termos um salto de conhecimento nesse campo. Ainda não parece muito claro quais serão as aplicações que vão dar certo na indústria e quais as soluções precisas para os problemas fundamentais que podem esclarecer as propriedades inusitadas do material, mas é um campo de pesquisa efervescente e com novidades surgindo a todo momento”, pondera o físico. Por isto mesmo, o material de estudo é desafiador para o progresso das pesquisas fundamental e aplicada. “O grafeno é um caso que motiva progressos para as pesquisas fundamental e aplicada. Ambas caminham de forma complementar, o que é um excelente convite para acompanhar os frutos que os estudos com grafeno certamente darão”, conclui.

 

Além do professor Caio Lewenkopf, participam da equipe apoiada pela FAPERJ os professores Andrea Latgé, Antonio Costa Jr., Pedro Venezuela e Roberto Bechara Muniz; o pós-doutor Filipe Guimarães e os alunos de pós-graduação Daiara Faria, Francisco Toro, Ingrid Hammes e Vladimir Miranda, todos do IF/UFF.