À medida que o apetite mundial por materiais à base de carbono, como o grafite, aumenta, pesquisadores da Universidade de Ohio apresentaram evidências nesta semana de um novo sólido de carbono que chamaram de "grafite amorfo".
O físico David Drabold e o engenheiro Jason Trembly começaram com a pergunta:"Podemos fazer grafite a partir do carvão?"

"A grafite é um importante material de carbono com muitos usos. Uma aplicação crescente para grafite é para ânodos de bateria em baterias de íons de lítio, e é crucial para a indústria de veículos elétricos - um Tesla Model S, em média, precisa de 54 kg de grafite. Esses eletrodos são melhores se feitos com materiais de carbono puro, que estão se tornando mais difíceis de obter devido à demanda tecnológica em espiral", eles escrevem em seu artigo, "Simulação ab initio de grafite amorfo", publicado hoje em Physical Review Letters

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"Ab initio" significa "desde o início", e seu trabalho busca novos caminhos para formas sintéticas de grafite a partir de material carbonáceo natural. O que eles descobriram, com vários cálculos diferentes, foi um material em camadas que se forma em temperaturas muito altas (cerca de 3.000 graus Kelvin). Suas camadas ficam juntas devido à formação de um gás de elétrons entre as camadas, mas não são as camadas perfeitas de hexágonos que compõem o grafeno ideal. Este novo material tem muitos hexágonos, mas também pentágonos e heptágonos. Essa desordem do anel reduz a condutividade elétrica do novo material em comparação com o grafeno, mas a condutividade ainda é alta nas regiões dominadas principalmente por hexágonos.

Nem todos os hexágonos

"Em química, o processo de conversão de materiais carbonáceos em uma estrutura grafítica em camadas por tratamento térmico em alta temperatura é chamado de grafitização. a uma estrutura em camadas em uma janela de densidade e temperatura significativa, com as camadas ocorrendo mesmo para configurações iniciais aleatórias. As camadas planas são grafeno amorfo:átomos de carbono de três coordenadas topologicamente desordenados dispostos em planos com pentágonos, hexágonos e heptágonos de carbono", disse Drabold , Distinguished Professor de Física e Astronomia na Faculdade de Artes e Ciências da Universidade de Ohio.

"Como essa fase é topologicamente desordenada, o 'registro de empilhamento' usual de grafite só é respeitado estatisticamente", disse Drabold. "A estratificação é observada sem correções de Van der Waals para forças funcionais de densidade (LDA e PBE), e discutimos a formação de um gás de elétrons deslocalizado nas galerias (vazios entre os planos) e mostramos que a coesão interplano é em parte devido a essa baixa gás de elétron de densidade. A condutividade eletrônica no plano é drasticamente reduzida em relação ao grafeno."

Os pesquisadores esperam que seu anúncio estimule a experimentação e estudos sobre a existência de grafite amorfo, que pode ser testável a partir de esfoliação e/ou sondas estruturais de superfície experimentais.

Trembly, Professor Russ de Engenharia Mecânica e diretor do Instituto de Energia Sustentável e Meio Ambiente da Faculdade Russ de Engenharia e Tecnologia da Universidade de Ohio, vem trabalhando em parte nos usos verdes do carvão. Ele e Drabold - juntamente com os estudantes de doutorado em física Rajendra Thapa, Chinonso Ugwumadu e Kishor Nepal - colaboraram na pesquisa. Drabold também faz parte do Nanoscale &Quantum Phenomena Institute em OHIO, e publicou uma série de artigos sobre a teoria do carbono amorfo e do grafeno amorfo. Drabold também destacou o excelente trabalho de seus alunos de pós-graduação na realização desta pesquisa.

Coesão entre planos surpreendente

"A questão que nos levou a isso é se poderíamos fazer grafite a partir do carvão", disse Drabold. "Este artigo não responde totalmente a essa pergunta, mas mostra que o carbono tem uma tendência esmagadora de camadas - como grafite, mas com muitos 'defeitos', como pentágonos e heptágonos (anéis de cinco e sete membros de átomos de carbono), que se encaixam naturalmente na rede. Apresentamos evidências de que existe grafite amorfo e descrevemos seu processo de formação. Suspeita-se de experimentos que a grafitização ocorre perto de 3.000 K, mas os detalhes do processo de formação e a natureza da desordem nos planos era desconhecido", acrescentou.

O trabalho dos pesquisadores da Universidade de Ohio também é uma previsão de uma nova fase do carbono.

"Até que fizéssemos isso, não era nada óbvio que as camadas de grafeno amorfo (os planos incluindo pentágonos e heptágonos) se uniriam em uma estrutura em camadas. Acho isso bastante surpreendente, e é provável que os experimentalistas vão caçar isso coisas agora que sua existência está prevista", disse Drabold. "O carbono é o elemento milagroso - você pode fazer vida, diamante, grafite, bolas de Bucky, nanotubos, grafeno e agora isso. Há muita física básica interessante nisso também - por exemplo, como e por que os aviões se ligam, isso por si só é bastante surpreendente por razões técnicas." + Explorar mais

O grafeno é 3-D e também 2-D