Uma abordagem híbrida para a análise e conceção de materiais à base de folhas de grafeno
Esta nova abordagem permite a avaliação direta da rigidez à flexão de folhas de grafeno com defeitos na rede, oferecendo perspectivas para a conceção de novos materiais
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A teoria de Helfrich sobre a flexão de membranas, apoiada por simulações de dinâmica molecular, é uma abordagem promissora para avaliar as propriedades mecânicas das folhas de grafeno, segundo investigadores do Instituto de Ciências de Tóquio. Esta abordagem híbrida permite a avaliação direta da rigidez à flexão das folhas de grafeno, mesmo com defeitos na rede, sem necessidade de testes experimentais, oferecendo conhecimentos valiosos para a conceção de novos materiais bidimensionais com propriedades mecânicas adaptadas.
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Avaliação quantitativa da rigidez à flexão em folhas de grafeno com declinações
As folhas de grafeno (GS) são materiais bidimensionais (2D) de nano-carbono conhecidos pela sua notável flexibilidade, excecional resistência mecânica e capacidade de adotar diferentes formas. Em particular, ao introduzir anéis de 5 ou 7 membros nas folhas de grafeno hexagonais, podem ser formadas formas cónicas ou em forma de sela de cavalo. Imaginemos uma folha de papel hexagonal, que está dividida em seis triângulos equiláteros. A remoção de um triângulo cria um anel de 5 membros, que, quando dobrado, forma um cone, enquanto que a adição de um triângulo forma um anel de 7 membros, produzindo uma forma semelhante a uma sela. Estas estruturas em anel são defeitos de treliça do tipo rotacional conhecidos como disclinações.
As disclinações têm sido utilizadas para desenvolver vários materiais baseados em GS. Por exemplo, os GSs em forma de onda, designados por grafeno de bandeja de ovos, que têm anéis periódicos de 5 ou 7 membros, são conhecidos pela sua resistência ao impacto. Os GS com anéis de 7 membros são promissores para utilização como nano-molas. Estes defeitos na rede têm um efeito significativo na curvatura local e nas propriedades mecânicas dos GSs, especialmente na sua rigidez à flexão. Embora a rigidez à flexão das GSs planas tenha sido bem estudada, a das GSs com declinações continua a ser mal compreendida devido à variabilidade introduzida pelas deformações que dificultam medições precisas.
Para colmatar esta lacuna, uma equipa de investigação liderada pelo Professor Associado Xiao-Wen Lei da Escola de Materiais e Tecnologia Química do Instituto de Ciências de Tóquio (Science Tokyo), Japão, desenvolveu uma nova abordagem. "Desenvolvemos uma nova abordagem híbrida, combinando simulações de dinâmica molecular com a teoria de Helfrich da flexão das membranas", explica Lei. "Este método permite a avaliação direta da rigidez de flexão de GSs com defeitos de rede diretamente a partir de configurações atómicas, sem necessidade de testes experimentais". A equipa incluiu o estudante Yushi Kunihiro e o Professor Toshiyuki Fujii da Science Tokyo e o Professor Associado Takashi Uneyama da Universidade de Nagoya.
A teoria de Helfrich da flexão das membranas descreve a flexão fora do plano de materiais 2D, modelando a sua curvatura através de considerações energéticas. Embora tenha sido originalmente desenvolvida para analisar bicamadas lipídicas de células biológicas, esta teoria é também aplicável a GSs devido a semelhanças geométricas e mecânicas. No entanto, a resolução analítica desta teoria é notoriamente difícil. Para simplificar a análise, os investigadores aplicaram simulações de dinâmica molecular.
Utilizando esta abordagem, a equipa analisou quatro tipos de modelos analíticos de GSs com disclinações: monopolos de disclinação positiva (anéis de 5 membros), monopolos de disclinação negativa (anéis de 7 membros) e dipolos de disclinação ligados e separados que combinam os monopolos. Nos dipolos ligados, as disclinações positivas e negativas são colocadas juntas, enquanto nos dipolos separados, são espaçadas a distâncias variáveis dos dipolos separados.
Os valores de rigidez à flexão calculados estavam dentro do intervalo razoável relatado em estudos anteriores, realçando a validade da abordagem. Mais notavelmente, os resultados revelaram, pela primeira vez, diferenças nas tendências entre GSs com monopolos e dipolos. Os dipolos de inclinação mostraram uma rigidez de flexão semelhante, uma vez excluídos os efeitos não lineares. Para os dipolos, a combinação de superfícies cónicas e em forma de sela resultou numa alteração local da forma com uma alteração local correspondente na rigidez de flexão. Para além disso, à medida que a distância entre as disclinações aumenta, a rigidez à flexão converge para um valor estável, realçando a importância da densidade dos defeitos da rede.
"As nossas descobertas não só oferecem uma base para a compreensão das propriedades mecânicas dos GSs com defeitos da rede, como também permitem conceber novos GSs com rigidezes à flexão específicas e propriedades mecânicas adaptadas", observa Lei. Globalmente, este estudo irá acelerar o desenvolvimento de novos materiais baseados em GS, tais como nano-molas e estruturas de grafeno resistentes ao impacto, conduzindo a materiais 2D avançados.
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