Imperfeições projetadas sobrecarregam o poder do grafeno

Cientistas da Escola de Química da Universidade de Nottingham, da Universidade de Warwick e da Diamond Light Source criaram uma abordagem de etapa única que produz filmes semelhantes ao grafeno usando uma molécula chamada Azupireno. A forma desta molécula se assemelha muito ao tipo de defeito que os pesquisadores queriam introduzir. Suas descobertas foram publicadas recentemente em Ciência Química.

Por que as imperfeições podem melhorar o grafeno

David Duncan, professor associado da Universidade de Nottingham e um dos principais autores do estudo, explica:”Nosso estudo explora uma nova maneira de produzir grafeno, este material superfino e superforte é feito de átomos de carbono e, embora o grafeno perfeito seja notável, às vezes é perfeito demais. Ele interage fracamente com outros materiais e carece de propriedades eletrônicas cruciais exigidas na indústria de semicondutores.

“Normalmente os defeitos no material são vistos como problemas ou erros que reduzem o desempenho, nós os usamos intencionalmente para adicionar funcionalidade. Descobrimos que os defeitos podem tornar o grafeno mais “pegajoso” a outros materiais, tornando-o mais útil como catalisador, além de melhorar sua capacidade de detectar diferentes gases para uso em sensores. Os defeitos também podem alterar as propriedades eletrônicas e magnéticas do grafeno, para potenciais aplicações na indústria de semicondutores. “

Azupireno permite controle preciso da formação de defeitos

O grafeno é normalmente construído a partir de um padrão repetitivo de seis átomos de carbono dispostos em um anel plano. O defeito alvo desta pesquisa consiste em anéis vizinhos de 5 e 7 átomos. O azupireno contém naturalmente esse tipo de padrão de anel irregular, tornando-o uma molécula inicial ideal. Ao usar o Azupireno para fazer crescer os filmes de grafeno, a equipe conseguiu uma alta concentração desse defeito específico. O ajuste da temperatura durante a fase de crescimento permitiu aos pesquisadores ajustar quantos defeitos apareceram no material final.

Pesquisadores do Graphene Institute em Manchester também mostraram que o grafeno resultante poderia ser transferido para uma variedade de superfícies, mantendo intactos os defeitos projetados, um passo importante para a integração desses filmes em dispositivos reais.

Colaboração internacional e ferramentas avançadas revelam comportamento atômico

O projeto contou com um amplo conjunto de técnicas avançadas e envolveu equipas do Reino Unido, Alemanha e Suécia. Os pesquisadores usaram microscopia e espectroscopia de alta resolução na Diamond Light Source em Oxfordshire e no MAX IV na Suécia, juntamente com o supercomputador nacional do Reino Unido ARCHER2. Essas ferramentas permitiram examinar a estrutura atômica do grafeno defeituoso, confirmar a presença dos defeitos projetados e determinar como eles influenciaram o comportamento químico e eletrônico do material.

O professor Reinhard Maurer, do Departamento de Química da Universidade de Warwick, afirma:”Ao escolher cuidadosamente a molécula inicial e as condições de crescimento, mostramos que é possível cultivar grafeno no qual imperfeições podem ser introduzidas de uma forma mais controlada. Caracterizamos as assinaturas dessas imperfeições reunindo imagens em escala atômica, espectroscopia e simulação computacional. “

“Este estudo é uma prova do que pode ser alcançado através da colaboração internacional e da integração de diversos conhecimentos científicos”, disse o Dr. Tien-Lin Lee da Diamond Light Source. “Ao combinar microscopia avançada, espectroscopia e modelagem computacional em instituições do Reino Unido, Alemanha e Suécia, fomos capazes de descobrir os mecanismos em escala atômica por trás da formação de defeitos no grafeno, algo que nenhuma técnica ou equipe poderia ter alcançado sozinha.”