Pesquisas recentes revelaram uma técnica de produção de grafeno que incorpora deliberadamente defeitos estruturais para melhorar seu desempenho. Esta estratégia poderia ajudar a promover vários setores, incluindo sensores, baterias e eletrónica.
Cientistas da Escola de Química da Universidade de Nottingham, da Universidade de Warwick e da Diamond Light Source criaram uma abordagem de uma etapa 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. Seus resultados foram publicados 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:”Nossa pesquisa explora uma nova maneira de produzir grafeno, este material ultrafino e superforte feito de átomos de carbono, e embora o grafeno perfeito seja ótimo, às vezes é perfeito demais. Ele interage fracamente com outros materiais e carece de propriedades eletrônicas importantes necessárias na indústria de semicondutores.
“Normalmente os defeitos em um 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, e também melhorando sua capacidade de detectar vários gases para uso em sensores. Os defeitos também podem alterar as propriedades eletrônicas e magnéticas do grafeno para aplicações potenciais na indústria de semicondutores”.
Azupirene fornece controle preciso da formação de defeitos
O grafeno normalmente consiste em um padrão repetitivo de seis átomos de carbono dispostos em um anel planar. O defeito considerado neste estudo consiste em anéis adjacentes de 5 e 7 átomos. O azupireno contém naturalmente este tipo de estrutura de anel irregular, tornando-o uma molécula inicial ideal. Usando azupireno para cultivar filmes de grafeno, a equipe conseguiu uma alta concentração desse defeito específico. O controle da temperatura durante a fase de crescimento permitiu aos pesquisadores ajustar o número de defeitos no material final.
Pesquisadores do Graphene Institute, em Manchester, também mostraram que o grafeno resultante pode ser transferido para diferentes superfícies, mantendo os defeitos intactos, um passo importante para a integração desses filmes em dispositivos reais.
Colaboração internacional e ferramentas avançadas revelam o comportamento dos átomos
O projeto recorreu a uma vasta gama 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 britânico ARCHER2. Essas ferramentas permitiram estudar a estrutura atômica do grafeno defeituoso, confirmar a presença de defeitos de engenharia e determinar como eles afetam o comportamento químico e eletrônico do material.
O professor Reinhard Maurer, do Departamento de Química da Universidade de Warwick, diz:”Ao escolher cuidadosamente a molécula inicial e as condições de crescimento, mostramos que é possível cultivar grafeno no qual os defeitos podem ser introduzidos de uma forma mais controlada. Estamos caracterizando a assinatura desses defeitos combinando imagens em escala atômica, espectroscopia e simulações computacionais. “
“Esta pesquisa é uma prova do que pode ser alcançado através da colaboração internacional e da integração de diferentes conhecimentos científicos”, disse o Dr. Tian-Ling Li da Diamond Light Source. “Ao combinar microscopia avançada, espectroscopia e modelagem computacional em instalações no Reino Unido, Alemanha e Suécia, conseguimos revelar os mecanismos em escala atômica por trás da formação de defeitos no grafeno, algo que nenhuma técnica ou equipe poderia conseguir sozinha.”
