Pesquisadores da Rice University descobriram que rugas extremamente pequenas no grafeno podem alterar o comportamento elétrico do material. Os resultados fornecem evidências experimentais da flexoeletricidade, um efeito no qual a flexão irregular desenvolve uma carga elétrica em um material. As descobertas foram publicadas materiais avançados.
O trabalho aponta para uma possível nova forma de controlar a eletricidade em materiais com apenas alguns átomos de espessura. Em vez de alterar um material adicionando produtos químicos ou misturando-o com outra coisa, os cientistas poderão ajustar as suas propriedades eléctricas simplesmente alterando a sua forma. No futuro, essa estratégia poderá contribuir para sensores mais sensíveis e dispositivos eletrónicos extremamente finos.
“Nosso trabalho mostra que mesmo uma simples ruga pode se tornar uma característica eletrônica extraordinária quando vista em escala atômica”, disse Pulikel Ajayan, professor de engenharia Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson e co-autor do estudo. “Ao demonstrar que a geometria por si só pode remodelar o comportamento elétrico do grafeno, abrimos um novo caminho para projetar materiais cujas propriedades podem ser controladas através da estrutura e não da química.”
Investigando o grafeno em escala atômica
O grafeno consiste em uma única camada de átomos de carbono. Para este estudo, os pesquisadores focaram nas rugas que se formam naturalmente no material. Algumas curvas foram reduzidas a áreas menores que um bilionésimo de metro. Nessa escala, a curvatura acentuada pode fazer com que os elétrons se desloquem ligeiramente para um lado do grafeno.
“Imagine dobrar uma régua flexível, exceto que a dobra é comprimida em um espaço menor que um bilionésimo de metro”, disse Satvik Ajay Iyengar, ex-aluno de doutorado da Rice e principal autor do estudo. “Nessa escala, os elétrons do grafeno são ligeiramente deslocados para um lado, formando dois lados elétricos opostos, como as extremidades de uma pequena bateria”.
Para investigar o efeito, a equipe usou sondas microscópicas especiais para mapear o formato das rugas e medir a energia elétrica e a corrente locais. Os pesquisadores também usaram a espectroscopia Raman, um método baseado em laser que mostra como os átomos estão sendo esticados ou comprimidos. Simulações de computador ajudaram a prever como a flexão afetaria o movimento dos elétrons.
Ao comparar as rugas altamente curvas com as áreas circundantes de grafeno plano, os pesquisadores conseguiram separar os efeitos elétricos produzidos pela curvatura de outros efeitos possíveis.
“Estudos anteriores frequentemente examinavam curvas suaves ou dependiam de pressão externa, tornando difícil isolar esse efeito sutil”, disse Iyengar. “Comparar as rugas intensamente curvas com o grafeno simples nos permitiu identificar claramente o papel da curvatura extrema.”
Rugas acentuadas produzem fortes efeitos elétricos
A equipe descobriu que as rugas do grafeno se comportam como fileiras de pequenas saliências elétricas. Nas suas extremidades acentuadamente curvas, as rugas transformam a energia elétrica local. Depois que cerca de um volt de eletricidade foi aplicado, os pesquisadores detectaram uma corrente elétrica constante. As medições corresponderam de perto às previsões dos modelos de computador.
A força da resposta estava mais intimamente relacionada com o quão acentuada era cada ruga do que com a sua altura. Os pesquisadores estimaram que a polarização resultante era de 100 mil a 10 milhões de vezes mais forte do que a polarização observada em sistemas flexoelétricos muito maiores. Polarização se refere à separação de cargas elétricas positivas e negativas dentro de um material.
Iyengar disse: “A nitidez da ruga acabou por ser mais importante do que a sua forma geral”. “Isso nos diz que podemos potencialmente ajustar o comportamento elétrico controlando cuidadosamente a curvatura em nanoescala.”
Uma previsão de 2008 obtém apoio experimental
A pesquisa teve origem em 2008. Na época, o físico teórico Vincent Meunier previu que uma curvatura rápida do grafeno poderia reorganizar seus elétrons e produzir uma resposta elétrica. Meunier, que agora ocupa a cátedra PB Brenman e chefe do Departamento de Ciência da Engenharia e Mecânica da Universidade Estadual da Pensilvânia, é co-autor correspondente do novo estudo.
No entanto, quando previsto pela primeira vez, foi extremamente desafiador medir tal efeito nas torções de apenas alguns átomos.
Anos mais tarde, Iyengar deu uma nova olhada nos dados que coletou com o co-autor, Manoj Tripathi, agora da Universidade de Sussex e das Minas de Dakota do Sul. Ele observou sinais elétricos incomuns aparecendo nas rugas mais acentuadas do grafeno e compartilhou os resultados com Meunier, que o co-orientou em seu trabalho de doutorado.
Meunier disse: “Quando Satvik me mostrou as medições que ele e Manoj haviam coletado, percebemos que os sinais incomuns poderiam fornecer uma conexão experimental com a ideia que havíamos previsto vários anos antes”. “Reunir experimentos e cálculos em escala atômica nos permitiu testar diretamente essa conexão”.
Um novo caminho em direção à eletrônica ultrafina
As descobertas dão aos pesquisadores uma maneira de investigar se o controle deliberado da curvatura das rugas do grafeno poderia ser usado para ajustar as propriedades elétricas do material. Se essa abordagem se mostrar prática, poderá eventualmente ajudar os cientistas a desenvolver sensores mais sensíveis e dispositivos eletrónicos ultrafinos.
Em vez de tratar as rugas simplesmente como imperfeições, os pesquisadores poderão usá-las como características funcionais cuja geometria ajuda a determinar como a eletricidade se comporta.
“A natureza já cria essas pequenas rugas para nós”, disse Iyengar. “Compreender como eles afetam o comportamento elétrico dá aos cientistas outra ferramenta para projetar tecnologias futuras usando a estrutura do material.”
Autores adicionais incluem James McHugh, da Universidade de Manchester, Jonathan Salvage, da Universidade de Brighton. Robert Vajtai de Rice, Venkatraman Gadhamshetty, da Escola de Minas e Tecnologia de Dakota do Sul, e o co-autor Alan Dalton, da Universidade de Sussex.
A pesquisa foi apoiada pela Quad Fellowship, pelo Sussex Strategy Development Fund, pela University of Manchester Dame Kathleen Ollerenshaw Fellowship e pela National Science Foundation.
