Investigadores da Rice demonstram que as nanorugas de grafeno podem remodelar a eletricidade
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Investigadores da Universidade de Rice demonstraram que pequenas rugas no grafeno podem alterar as propriedades elétricas do material, fornecendo evidências da flexoeletricidade, um fenómeno em que um material gera uma carga elétrica quando se dobra de forma irregular. Os resultados foram publicados na revista *Advanced Materials*.
Investigadores da Universidade de Rice demonstraram que pequenas rugas no grafeno podem alterar as propriedades elétricas do material.
Image courtesy of Ajayan lab/Rice University
A descoberta sugere que os cientistas poderão ser capazes de controlar a eletricidade em materiais com espessura atómica, alterando a sua forma em vez de adicionarem novos produtos químicos ou materiais. Esta abordagem poderá, um dia, conduzir ao desenvolvimento de sensores mais sensíveis e de dispositivos eletrónicos ultrafinos.
«O nosso trabalho mostra que mesmo uma ruga comum pode tornar-se uma característica eletrónica extraordinária quando observada à escala atómica», afirmou Pulickel Ajayan, Professor de Engenharia Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson e coautor correspondente do estudo. «Ao demonstrarmos que a geometria, por si só, pode remodelar o comportamento elétrico do grafeno, abrimos um novo caminho para a conceção de materiais cujas propriedades podem ser controladas através da estrutura, em vez da química.»
Analisando de perto as pequenas rugas
O grafeno é uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura. Neste trabalho, a equipa examinou rugas formadas naturalmente com dobras comprimidas em espaços menores do que um bilionésimo de metro, onde a curvatura extrema pode deslocar os eletrões para um dos lados do material.
«Imagine dobrar uma régua flexível, só que a curvatura está comprimida num espaço inferior a um bilionésimo de metro», explicou Sathvik Ajay Iyengar, antigo doutorando da Rice e autor principal do estudo. «Nessa escala, os eletrões no grafeno deslocam-se ligeiramente para um dos lados, criando dois pólos elétricos opostos, como as extremidades de uma minúscula bateria.»
A equipa de investigação utilizou sondas de microscópio especializadas para medir a forma das rugas, a energia elétrica local e a corrente elétrica. Recorreu também à espectroscopia Raman, uma técnica baseada em laser que revela como os átomos são esticados ou comprimidos, juntamente com simulações computacionais que previram como a curvatura altera o movimento dos eletrões. A comparação entre rugas acentuadamente curvas e grafeno plano nas proximidades permitiu à equipa isolar os efeitos da curvatura.
«Estudos anteriores examinavam frequentemente curvaturas mais suaves ou dependiam de pressão externa, o que tornava difícil isolar este efeito subtil», afirmou Iyengar. «Comparar as rugas acentuadamente curvadas com o grafeno plano permitiu-nos identificar claramente o papel da curvatura extrema.»
A forma altera o comportamento elétrico
Os investigadores descobriram que as rugas agiam como fileiras de minúsculos lombos elétricos. As suas pontas acentuadamente curvadas alteravam a energia elétrica local e produziam consistentemente uma corrente elétrica assim que era aplicada uma tensão de cerca de um volt, correspondendo de perto às previsões dos modelos computacionais.
A resposta elétrica dependia da acentuada curvatura das rugas, em vez da sua altura. Os investigadores estimaram que a separação de cargas elétricas resultante, denominada polarização, era entre 100 000 e 10 milhões de vezes mais forte do que em sistemas flexoelétricos muito maiores. A polarização é a separação de cargas elétricas positivas e negativas no interior de um material.
«A nitidez da ruga revelou-se muito mais importante do que o seu tamanho global», afirmou Iyengar. «Isso indica-nos que podemos, potencialmente, ajustar o comportamento elétrico através do controlo cuidadoso da curvatura à escala nanométrica.»
Da previsão à evidência
A descoberta remonta a 2008, quando o físico teórico Vincent Meunier previu que o grafeno, quando dobrado acentuadamente, poderia reorganizar os seus eletrões e produzir uma resposta elétrica. Meunier, atualmente titular da Cátedra P. B. Breneman e diretor do Departamento de Ciências da Engenharia e Mecânica da Universidade Estadual da Pensilvânia, é um dos autores correspondentes do estudo. Na altura, medir o efeito em dobras com apenas alguns átomos de largura era extremamente difícil.
Anos mais tarde, Iyengar revisitou os dados que tinha recolhido com Manoj Tripathi, um coautor correspondente da Universidade de Sussex e agora na South Dakota Mines, e encontrou sinais elétricos invulgares nas rugas mais acentuadas do grafeno. Apresentou as descobertas a Meunier, que tinha sido um dos orientadores do seu trabalho de doutoramento.
«Quando o Sathvik me mostrou as medições que ele e o Manoj tinham recolhido, percebemos que os sinais invulgares poderiam fornecer uma ligação experimental a uma ideia que tínhamos previsto muitos anos antes», afirmou Meunier. «Juntar as experiências e os cálculos à escala atómica permitiu-nos testar essa ligação diretamente.»
Criar novas possibilidades para a eletrónica
Os investigadores afirmaram que as descobertas poderão ajudar os cientistas a explorar se o controlo da curvatura das rugas do grafeno poderá constituir uma forma de ajustar o comportamento elétrico do material. Essa abordagem poderá, a longo prazo, contribuir para o desenvolvimento de sensores mais sensíveis e de dispositivos eletrónicos ultrafinos.
«A Natureza já cria estas pequenas rugas por nós», afirmou Iyengar. «Compreender como estas influenciam o comportamento elétrico dá aos cientistas mais uma ferramenta para conceber tecnologias futuras, utilizando a própria estrutura do material.»
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