Pesquisadores da Rice University descobriram que pequenas rugas no grafeno podem mudar a forma como o material se comporta eletricamente. Os resultados fornecem evidências experimentais da flexoeletricidade, um efeito no qual a flexão irregular cria uma carga elétrica em um material. As descobertas são publicadas em Materiais avançados.
Este trabalho aponta para uma possível nova forma de controlar a eletricidade em materiais com alguns átomos de espessura. Em vez de alterar um material adicionando produtos químicos ou combinando-o com outra coisa, os cientistas poderão ajustar as suas propriedades eléctricas simplesmente alterando a sua forma. No futuro, esta estratégia poderá contribuir para sensores mais sensíveis e dispositivos eletrónicos ultrafinos.
“Nosso trabalho mostra que mesmo uma ruga comum pode ser transformada em uma característica eletrônica extraordinária que pode ser observada em escala atômica”, disse Polikal Ajayan, professor de engenharia Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson e coautor do estudo. Ao mostrar que a geometria por si só pode moldar o comportamento eléctrico do grafeno, abrimos um novo caminho para a concepção de materiais cujas propriedades podem ser controladas através da estrutura e não da química.
Investigando o grafeno em escala atômica
O grafeno consiste em uma camada de átomos de carbono. Para este estudo, os pesquisadores focaram nas rugas que ocorrem naturalmente no material. Algumas curvas foram comprimidas em áreas menores que um bilionésimo de metro. Nesta escala, a curvatura extrema pode fazer com que os elétrons se desloquem ligeiramente para um lado do grafeno.
“Imagine dobrar uma régua flexível, exceto que a dobra é comprimida em um espaço menor que um bilionésimo de metro”, diz Sathvik Ajay Iyengar, ex-aluno de doutorado da Rice e principal autor do estudo. “Nesta escala, os elétrons do grafeno se deslocam ligeiramente para um lado, criando dois lados elétricos opostos, como as extremidades de uma pequena bateria.”
Para investigar esse efeito, a equipe utilizou sondas microscópicas especializadas para traçar o formato das rugas e medir a energia e a corrente elétrica local. Os pesquisadores também usaram a espectroscopia Raman, um método baseado em laser que mostra como os átomos são esticados ou comprimidos. Simulações de computador ajudaram a prever como a flexão deveria afetar o movimento do elétron.
Ao comparar as rugas altamente curvas com áreas adjacentes de grafeno plano, os pesquisadores conseguiram separar os efeitos elétricos causados pela curvatura de outros efeitos possíveis.
“Os primeiros estudos frequentemente examinavam curvas mais suaves ou dependiam de pressão externa, tornando difícil isolar esse efeito sutil”, disse Iyengar. “Comparar as rugas fortemente curvas com o grafeno plano permitiu-nos distinguir claramente o papel das rugas fortemente curvadas.”
Rugas acentuadas criam fortes efeitos elétricos
A equipe descobriu que as rugas do grafeno se comportam como fileiras de pequenas lombadas elétricas. Nas pontas bem curvas, as rugas alteravam a energia elétrica local. Quando cerca de um volt de eletricidade foi aplicado, os pesquisadores detectaram consistentemente uma corrente elétrica. As medições corresponderam ao que os modelos de computador haviam previsto.
A força da resposta dependia mais da nitidez de cada ruga do que do seu comprimento. Os pesquisadores estimaram que a polarização resultante era entre 100 mil e 10 milhões de vezes mais forte do que a observada em sistemas flexoelétricos muito maiores. Polarização se refere à separação de cargas elétricas positivas e negativas dentro de uma substância.
“A nitidez das rugas é muito mais importante do que o tamanho geral”, disse Iyengar. Isso nos diz que podemos ajustar o comportamento elétrico controlando com precisão a curvatura em nanoescala.
Uma previsão de 2008 recebe apoio experimental
A origem desta descoberta remonta a 2008. Na altura, o físico teórico Vincent Monier previu que o grafeno fortemente curvado poderia organizar os seus electrões e criar uma resposta eléctrica. Meunier, agora presidente do PB Breneman e presidente do Departamento de Engenharia e Ciências Mecânicas da Universidade Estadual da Pensilvânia, é coautor do novo estudo.
No entanto, quando esta previsão foi feita pela primeira vez, era muito desafiador medir tal efeito através de curvas com alguns átomos de largura.
Anos mais tarde, Iyengar deu uma nova olhada nos dados que coletou com Manoj Tripathi, coautor da Universidade de Sussex e agora nas minas de Dakota do Sul. Ele notou sinais elétricos incomuns aparecendo nas dobras mais nítidas do grafeno e compartilhou os resultados com Meunier, que o orientou em seu trabalho de doutorado.
“Quando Sathvik me mostrou as medições que ele e Manoj tinham recolhido, percebemos que os sinais incomuns poderiam fornecer uma ligação empírica a uma ideia que tínhamos previsto anos antes”, diz Munir. “Reunir experimentos e cálculos em escala atômica nos permitiu testar diretamente essa conexão”.
Um novo caminho para eletrônicos ultrafinos
As descobertas dão aos pesquisadores uma maneira de investigar se o controle deliberado da curvatura das rugas do grafeno pode ser usado para ajustar as propriedades elétricas do material. Se esta abordagem funcionar, poderá eventualmente ajudar os cientistas a produzir sensores mais sensíveis e dispositivos eletrónicos muito mais finos.
Em vez de tratar as rugas apenas como defeitos, os pesquisadores poderão usá-las como características funcionais cuja geometria ajuda a determinar como a eletricidade se comporta.
“A natureza já cria essas pequenas rugas para nós”, disse Iyengar. Compreender como eles afetam o comportamento elétrico dá aos cientistas outra ferramenta para projetar tecnologias futuras usando a própria estrutura da matéria.
Outros autores incluem James McHugh da Universidade de Manchester Jonathan Salvage da Universidade de Brighton Robert Wajtay Rice, Venkataramana Gadhamshetty, da Escola de Minas e Tecnologia de Dakota do Sul, e o coautor Alan Dalton, da Universidade de Sussex.
Esta pesquisa foi apoiada por quatro bolsas, o Sussex Strategy Development Fund, a bolsa Dame Kathleen Ulrenshaw da Universidade de Manchester e a National Science Foundation.
