Materiais bidimensionais, quase invisíveis e de enorme potencial

Cientistas do Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias estudam materiais novos e surpreendentes que poderão ser utilizados no desenvolvimento de dispositivos fotônicos

Heitor Shimizu, de Nova York | Agência FAPESP – O Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias (MackGraphe) da Universidade Presbiteriana Mackenzie explora materiais novos e surpreendentes que poderão ser utilizados no desenvolvimento, entre outros, de dispositivos fotônicos das próximas gerações para as mais diversas áreas e aplicações.

Com apoio da FAPESP, o MackGraphe, que iniciou as atividades em 2013, “é dedicado a aplicações científicas e industriais do grafeno e de outros materiais bidimensionais e tem três principais áreas de interesse: Fotônica, Energia e Materiais Compósitos”, disse Christiano José Santiago de Matos, professor no Mackenzie e pesquisador do MackGraphe, em apresentação na FAPESP Week New York, realizada em conjunto com a City University of New York (CUNY) e o Wilson Center de 26 a 28 de outubro no Graduate Center da CUNY.

Os materiais bidimensionais (ou 2D) são formados por camadas únicas de átomos. O grafeno foi o primeiro desses materiais a ser isolado, em 2004, feito que resultou no prêmio Nobel de Física de 2010 para Andre Geim e Konstantin Novoselov.

O grafeno corresponde a um cristal de grafite com a espessura de um átomo de carbono. É centenas de vezes mais forte do que o aço e suas condutividades térmica e elétrica são superiores às do cobre, o que o torna um material de enorme potencial para as indústrias de semicondutores e de eletrônicos.

“Trata-se de um material superlativo. É um milhão de vezes mais fino do que o cabelo humano e é extremamente leve – apenas três gramas de grafeno são suficientes para cobrir um campo de futebol. É praticamente invisível a olho nu, absorvendo apenas 2,3% da luz visível”, disse Matos.

“O grafeno tem a mais elevada condutividade térmica conhecida, 10 vezes superior à do cobre, e é um excelente condutor de eletricidade. Além disso tudo, é um material muito forte, com resistência mais de 200 vezes maior do que a do aço”, disse.

Mas o grafeno não é o único material bidimensional pesquisado no MackGraphe. Outro, de enorme potencial, é o fósforo negro, cristal com estrutura sanfonada composto por camadas bidimensionais de fósforo empilhadas com apenas um átomo de espessura (leia mais em: http://agencia.fapesp.br/28041/).

“Desde o isolamento do grafeno, em 2004, cristais de espessura atômica vêm sendo estudados para um número crescente de aplicações, em áreas tão diversas como eletrônica, sensores biomédicos e engenharia de materiais”, disse Matos.

A espessura diminuta dos materiais bidimensionais faz com que eles interajam de forma diferente com a luz. “A interação entre luz e materiais 2D tem se mostrado muito forte, particularmente no caso dos semicondutores, não apenas permitindo a observação de efeitos peculiares, mas também sugerindo diversas aplicações fotônicas”, disse Matos.

“Há vários motivos por que os materiais 2D são tão bons para a óptica e a fotônica, como a interação forte com a luz (apesar de serem praticamente transparentes) e a possibilidade de ajustar suas propriedades de acordo com o número de camadas. São também materiais muito fáceis de serem empilhados, formando estruturas mais complexas e funcionais”, disse.

Caracterizando novos materiais

Na palestra, Matos falou também sobre o uso da espectroscopia para identificar e estudar as características peculiares dos novos materiais bidimensionais. A técnica utilizada é baseada em um fenômeno observado experimentalmente em 1928 pelo indiano Chandrasekhara Venkata Raman. Usa uma fonte de laser que, ao atingir um objeto, é espalhada por este, gerando luz ou de mesma frequência ou de frequência diferente da incidente.

No primeiro caso, o espalhamento é chamado de elástico, ou espalhamento Rayleigh. O mais importante, entretanto, é o segundo caso: o efeito inelástico, também conhecido como espalhamento Raman, que possibilita obter muitas informações importantes sobre a composição química e estrutural do material em análise a partir dessa diferença de frequência. Isso gera uma assinatura da composição química e estrutura de cada material irradiado.

Além de estudarem as propriedades estruturais das bordas de cristais de fósforo negro com a espectroscopia Raman, encontrando características peculiares, Matos e seus colegas exploraram uma versão mais sensível da técnica para a demonstração de um sensor químico.

“Trata-se da chamada espectroscopia Raman amplificada por superfície, ou SERS [do inglês Surface Enhanced Raman Spectroscopy], uma técnica fotônica de alta sensibilidade que proporciona informações químicas e estruturais de moléculas em baixa concentração e em segundos”, disse Matos.

Em setembro, Matos e colegas do MackGraphe publicaram na Optics Express artigo no qual demonstram o sensor químico utilizando uma fibra microcapilar de vidro como plataforma optofluídica – que combina as vantagens da microfluídica e da óptica.

Para amplificar o espalhamento Raman, o orifício interno da fibra foi recoberto com óxido de grafeno e nanobastões de ouro. “A fibra possibilita a detecção de moléculas em tempos de aquisição tão baixos como 0,05 segundo, indicando o potencial de uso em sensores de tempo real, e requer pouco mais de 100 nanolitros de amostra”, disse Matos.

Matos e colegas ressaltam que a detecção de elementos químicos em concentrações ultrabaixas “é de grande importância em aplicações de sensores em diversas áreas, especialmente em monitoramento ambiental, ciências da vida e segurança nacional”. Entre essas aplicações estão o diagnóstico precoce de doenças e a detecção de explosivos, armas químicas ou poluentes.

Coerência na desordem

Outro palestrante na seção de Fotônica da FAPESP Week foi Azriel Genack, professor no Departamento de Física do Queens College e do Graduate Center, que falou sobre os desafios para tentar encontrar coerência nos transportes em meios desordenados.

Genack tem estudado na última década a propagação clássica de ondas na presença de desordem. Um dos objetivos é encontrar coerência na transmissão aparentemente caótica em diversos meios, como micro-ondas (de 10 GHz a 20 GHz) ou laser (630 nanômetros).

“Ondas clássicas são os meios pelos quais interagimos com o ambiente e nos comunicamos. Como resultado da dualidade entre ondas e partículas, estudos de ondas clássicas também têm servido como modelos de transporte eletrônico – incluindo ondas em mecânica quântica – em estado sólido”, disse.

“Um dos objetivos de nossos estudos no Queens College com propagação de radiação óptica e de micro-ondas é fornecer uma descrição universal do espalhamento de ondas em sistemas randômicos. Conseguimos demonstrar a relação entre estatísticas de flutuações de intensidade e de transmissão total e a correlação de intensidade não local e transporte médio no espaço, tempo e frequência”, disse Genack.

Segundo o pesquisador, isso tem levado ao desenvolvimento de modelos essenciais de transporte eletrônico em sistemas mesoscópios, que são sistemas nos quais a coerência de fase de uma determinada onda é preservada por toda a amostra.

Saiba mais sobre a FAPESP Week New York em: www.fapesp.br/week2018/newyork.