Pesquisas recentes revelaram uma técnica para produzir grafeno que incorpora deliberadamente defeitos estruturais para melhorar seu desempenho. Essa estratégia pode ajudar a avançar em diversos campos, incluindo sensores, baterias e eletrônicos.
Cientistas da Escola de Química da Universidade de Nottingham, da Universidade de Warwick e do Diamond Light Source criaram uma abordagem em uma única etapa que cresce filmes semelhantes ao grafeno utilizando uma molécula chamada Azupyrene. A forma dessa molécula se assemelha muito ao tipo de defeito que os pesquisadores desejavam introduzir. Seus achados foram publicados recentemente na Chemical Science.
Por que Imperfeições Podem Melhorar o Grafeno
David Duncan, Professor Associado da Universidade de Nottingham e um dos autores principais do estudo, explica: “Nosso estudo explora uma nova maneira de fabricar grafeno. Este material super-fino e super-forte é composto por átomos de carbono e, embora o grafeno perfeito seja notável, às vezes é perfeito demais. Ele interage fracamente com outros materiais e carece de propriedades eletrônicas cruciais exigidas pela indústria de semicondutores.
“Normalmente, defeitos em materiais são vistos como problemas ou erros que reduzem o desempenho, mas os utilizamos intencionalmente para adicionar funcionalidade. Descobrimos que os defeitos podem tornar o grafeno mais ‘grudento’ a outros materiais, tornando-o mais útil como catalisador, além de melhorar sua capacidade de detectar diferentes gases para uso em sensores. Os defeitos também podem alterar as propriedades eletrônicas e magnéticas do grafeno, para aplicações potenciais na indústria de semicondutores.”
Azupyrene Permite Controle Preciso da Formação de Defeitos
O grafeno é normalmente construído a partir de um padrão repetitivo de seis átomos de carbono dispostos em um anel plano. O defeito alvo nesta pesquisa consiste em anéis de 5 e 7 átomos vizinhos. O Azupyrene contém naturalmente esse tipo de padrão irregular de anéis, tornando-o uma molécula inicial ideal. Ao usar o Azupyrene para crescer os filmes de grafeno, a equipe conseguiu uma alta concentração desse defeito específico. Ajustar a temperatura durante a fase de crescimento permitiu que os pesquisadores sintonizassem quantos defeitos apareceriam no material final.
Pesquisadores do Instituto de Grafeno em Manchester também mostraram que o grafeno resultante poderia ser transferido para uma variedade de superfícies, mantendo os defeitos engenheirados intactos, um passo importante para integrar esses filmes em dispositivos reais.
Colaboração Internacional e Ferramentas Avançadas Revelam Comportamentos Atômicos
O projeto contou com um amplo conjunto de técnicas avançadas e envolveu equipes do Reino Unido, Alemanha e Suécia. Os pesquisadores utilizaram microscopia e espectroscopia de alta resolução no Diamond Light Source em Oxfordshire e no MAX IV na Suécia, juntamente com o supercomputador nacional do Reino Unido, ARCHER2. Essas ferramentas permitiram examinar a estrutura atômica do grafeno defeituoso, confirmar a presença dos defeitos engenheirados e determinar como influenciaram o comportamento químico e eletrônico do material.
O Professor Reinhard Maurer, do Departamento de Química da Universidade de Warwick, afirma: “Ao escolher cuidadosamente a molécula inicial e as condições de crescimento, mostramos que é possível cultivar grafeno em que imperfeições podem ser introduzidas de maneira mais controlada. Caracterizamos as assinaturas dessas imperfeições reunindo imagens em escala atômica, espectroscopia e simulação computacional.”
“Este estudo é um testemunho do que pode ser alcançado por meio da colaboração internacional e da integração de diversas expertises científicas,” disse o Dr. Tien-Lin Lee, do Diamond Light Source. “Ao combinar microscopia avançada, espectroscopia e modelagem computacional em instituições no Reino Unido, Alemanha e Suécia, conseguimos descobrir os mecanismos em escala atômica por trás da formação de defeitos no grafeno, algo que nenhuma técnica ou equipe única poderia ter alcançado sozinha.”