Nanorrugas na grafeno revelam flexoeletricidade quântica

A graphene é um material muito especial, com apenas um átomo de espessura. Reúne uma combinação invulgar de propriedades, incluindo características quânticas e magnéticas, que a tornam única em muitos aspetos.

Agora, investigadores dos EUA e do Reino Unido descobriram algo peculiar no comportamento elétrico da grafeno.

As nanorrugas da grafeno e a flexoeletricidade

Pequenas rugas microscópicas neste material ultrafino e extremamente resistente bastam para alterar de forma significativa as suas propriedades elétricas.

Trata-se de um fenómeno chamado flexoeletricidade, no qual a curvatura ou deformação de um material gera carga elétrica. É a versão quântica deste efeito em funcionamento, já teorizada para a grafeno, mas até agora com pouca evidência direta.

Como a equipa descreve na revista Advanced Materials, a flexoeletricidade oferece uma forma fundamentalmente diferente de relacionar propriedades físicas e elétricas. Em teoria, poderá permitir controlar a eletricidade em materiais atomicamente finos, como a grafeno, sem recorrer a substâncias químicas ou materiais adicionais.

"O nosso trabalho mostra que até uma ruga comum pode tornar-se uma característica eletrónica extraordinária quando observada à escala atómica", afirma o cientista de materiais Pulickel Ajayan, da Rice University, nos EUA.

"Ao demonstrarmos que só a geometria consegue remodelar o comportamento elétrico da grafeno, abrimos uma nova via para conceber materiais cujas propriedades possam ser controladas pela estrutura, e não pela química."

Os investigadores produziram nanorrugas naturais na grafeno, com menos de um mil milionésimo de metro. Em seguida, analisaram-nas cuidadosamente para estudar a sua forma, a energia elétrica local e a corrente elétrica.

Ao combinarem estas observações com simulações computacionais das alterações físicas e do seu impacto nos eletrões, bem como com comparações com grafeno plana, os cientistas identificaram a diferença notável causada pelas rugas.

"Imagine dobrar uma régua flexível, mas com a curva comprimida num espaço inferior a um mil milionésimo de metro", diz o cientista de materiais Sathvik Ajay Iyengar, que liderou o estudo enquanto estava na Rice University.

"A essa escala, os eletrões na grafeno deslocam-se ligeiramente para um dos lados, criando dois lados elétricos opostos, como os terminais de uma bateria minúscula."

Curvatura à nanoescala altera a eletricidade

As nanorrugas mudaram a forma como a grafeno conduz a eletricidade. A sua polarização elétrica - isto é, a intensidade da oposição entre as duas extremidades das "baterias minúsculas" - foi até 10 million vezes superior à observada em sistemas flexoelétricos muito maiores.

Outra forma de encarar o fenómeno é imaginar as rugas como pequenas lombas para a eletricidade, que modificam o modo como a grafeno se comporta enquanto condutor.

Este tipo de manipulação de materiais tem muitas aplicações potenciais, desde que possa ser mais aperfeiçoado e aplicado a maior escala.

"A nitidez da ruga revelou-se muito mais importante do que a sua dimensão global", afirma Iyengar.

"Isto indica-nos que podemos potencialmente ajustar o comportamento elétrico controlando cuidadosamente a curvatura à nanoescala."

Mais adiante, esta descoberta poderá contribuir para melhorar sensores e outros dispositivos eletrónicos concebidos em formatos ultrapequenos e ultrafinos, usando essencialmente a forma física desses projetos para controlar a maneira como os dispositivos lidam com a eletricidade.

Ainda assim, importa recordar que os investigadores recorreram tanto a estimativas baseadas em modelos como a observações diretas, simplesmente porque as nanorrugas eram extremamente pequenas e levavam a análise microscópica aos seus limites.

Estudos futuros deverão fornecer confirmação adicional destes resultados.

Entretanto, a grafeno continua a surpreender, quer seja utilizada isoladamente, combinada com outros materiais e substâncias químicas, ou num estado alterado. Por exemplo, cientistas já utilizaram grafeno enrugada como um filtro de água eficaz.

Graças a estas conclusões, os investigadores dispõem agora de uma plataforma para estudar a flexoeletricidade ao nível quântico, cerca de 20 anos depois de terem previsto que o fenómeno poderia ser produzido através da curvatura da grafeno.

"A natureza já cria estas pequenas rugas por nós", afirma Iyengar.

"Compreender como influenciam o comportamento elétrico dá aos cientistas mais uma ferramenta para conceber tecnologias futuras através da própria estrutura de um material."

A investigação foi publicada na revista Advanced Materials.

Este artigo foi verificado por Clare Watson e editado por Clare Watson. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar um erro, informe-nos, por favor.