Nanoporos personalizados: equipa de Viena molda o «grafeno branco» à escala atómica
A física e a química abrem caminho para uma vasta gama de aplicações através da engenharia de nanoporos
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Uma equipa de investigação da Universidade de Viena, liderada pelo físico Jani Kotakoski, demonstra como a forma dos nanoporos no nitreto de boro hexagonal — o equivalente eletricamente isolante do grafeno, também conhecido como «grafeno branco» — pode ser controlada com precisão a nível atómico. A irradiação de eletrões em vácuo ultra-alto cria poros circulares, enquanto a adição de pequenas quantidades de oxigénio produz poros triangulares. A engenharia de nanoporos apresentada na revista «Nature Communications» abre, assim, caminho a novas aplicações nas áreas da filtração, sequenciação de ADN, catálise e tecnologias quânticas.
O nitreto de boro hexagonal bidimensional (hBN) é um material isolante constituído por uma única camada de átomos. Forma uma barreira estável que também pode ser utilizada para proteger outros materiais bidimensionais, como o grafeno, do ambiente. A criação de poros com apenas alguns átomos de diâmetro torna esta barreira permeável, resultando numa membrana nanoporosa através da qual moléculas ou iões podem passar. Tais membranas poderiam ser utilizadas para filtrar substâncias ou analisar o ADN à medida que este passa através de um nanoporo. A esta escala, a forma precisa do poro e os átomos que revestem as suas bordas influenciam a forma como este interage com as moléculas que o atravessam. Ao mesmo tempo, devido ao seu pequeno tamanho, os poros possuem propriedades da mecânica quântica que os tornam úteis para catálise e aplicações quânticas.
Os eletrões podem formar imagens e alterar e mente as estruturas atómicas
Uma forma de criar poros tão minúsculos consiste em utilizar o feixe de eletrões de um microscópio eletrónico de transmissão: os mesmos eletrões que são utilizados para obter imagens de materiais bidimensionais até ao nível de átomos individuais também podem arrancar átomos do material. Com a irradiação contínua, estes defeitos transformam-se em nanoporos. Há quase duas décadas que se sabe que a irradiação de hBN com eletrões produz poros triangulares. A sua forma era geralmente atribuída às diferenças na facilidade com que os átomos de boro e azoto são deslocados. «Demonstramos, pela primeira vez, que a forma dos poros não se deve apenas aos eletrões, mas é influenciada pela atmosfera em torno da amostra», afirma Umair Javed, primeiro autor do estudo e doutorando no grupo de Kotakoski, na Faculdade de Física da Universidade de Viena.
Interação entre química e física
Os microscópios eletrónicos funcionam sob vácuo, mas este normalmente ainda contém moléculas de gás residuais. A equipa de Viena utilizou um microscópio com um vácuo excepcionalmente bom e com a capacidade de introduzir gases selecionados no ambiente da amostra. Isto permitiu-lhes estudar o que acontece quando o feixe de eletrões atua sobre o hBN quase por si só – e o que muda quando são adicionados gases. Em vácuo ultra-elevado, o feixe de eletrões removeu átomos de boro e de azoto a taxas aproximadamente iguais, provocando a formação de poros circulares. A adição de azoto teve pouco efeito. Contudo, mesmo com a presença de uma pequena quantidade de oxigénio, os átomos de boro foram removidos com muito mais facilidade e surgiram poros triangulares com arestas terminadas em azoto. O oxigénio por si só não era suficiente: os resultados indicam que o feixe de eletrões divide o oxigénio molecular em espécies reativas que podem atacar quimicamente o material. A forma dos poros resulta, portanto, de uma competição entre a física e a química: a «perfuração» com eletrões energéticos favorece os poros circulares, enquanto a corrosão química mediada pelo oxigénio favorece os triangulares. Ao ajustar a atmosfera durante a irradiação de eletrões, os investigadores podem controlar a forma dos poros que se formam.
Rumo a um maior controlo
«Isto é extremamente empolgante», afirma o autor principal, Jani Kotakoski. «Esperamos encontrar formas semelhantes de controlar as formas dos poros noutros materiais e, talvez, também criar formas diferentes no nitreto de boro hexagonal.» Esse controlo poderá ajudar a conceber estruturas com precisão atómica para aplicações que vão desde a filtração de água até à catálise e às tecnologias quânticas. A investigação faz parte do Cluster de Excelência «Materiais para Conversão e Armazenamento de Energia» do Fundo Austríaco para a Ciência (FWF), no âmbito do qual o grupo de Kotakoski pretende utilizar este método para criar novas estruturas cataliticamente ativas.
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