p (Phys.org) —Como pequenos navios que encontram um porto em uma tempestade, átomos de carbono atracam com a maior ilha de grafeno de uma maneira previsível. Mas até uma pesquisa recente de cientistas da Rice University, ninguém tinha as ferramentas para fazer esse tipo de previsão. p A corrente elétrica dispara em linha reta através de uma folha de grafeno sem defeitos com quase nenhuma resistência, um recurso que torna o material altamente atraente para engenheiros que o usariam em coisas como telas sensíveis ao toque e outros eletrônicos, disse o físico teórico Boris Yakobson de Rice. Ele é co-autor de um novo artigo sobre a formação do grafeno que aparecerá esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences .

p Para examinar exatamente o que acontece no nível atômico, Yakobson e seus colegas de Rice analisaram de perto o processo agora comum chamado deposição química de vapor (CVD), em que uma fonte de carbono aquecida em um forno é exposta a um catalisador de metal para formar grafeno, uma camada de átomo único de carbono puro.

p Yakobson, Karl F. Hasselmann, professor de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais de Rice e professor de química, e seus colegas calcularam as energias de átomos individuais à medida que se acumulam para formar grafeno na doca do "nanorreator", onde o vapor de carbono e o catalisador se encontram. Com a ajuda de teorias há muito aplicadas ao crescimento do cristal, eles determinaram que, em equilíbrio, alguns padrões de grafeno são mais propensos a se formar do que outros, dependendo do catalisador usado.

p Um obstáculo foi que a borda de uma folha de grafeno dita como - ou mesmo se - a corrente pode prosseguir para um eletrodo. Os limites dos grãos - transições nos ângulos dos hexágonos que aparecem quando as ilhas de grafeno se fundem durante o crescimento - também podem descarrilar os elétrons. Yakobson disse que essas bordas e limites determinam a eletrônica geral da folha, propriedades mecânicas e magnéticas, portanto, conhecer as condições sob as quais o grafeno favoreceria bordas que parecem ziguezagues ou poltronas - ou algum ângulo intermediário - é importante para pesquisadores que desejam cultivar o material para uso em componentes eletrônicos.

p Yakobson e seus co-autores, pesquisador associado Vasilii Artyukhov e estudante de pós-graduação Yuanyue Liu, baseou-se em seu conhecimento de crescimento de cristal para sua teoria de nanorreatores. Eles apresentam um modelo abrangente de como os átomos migram da matéria-prima - geralmente uma névoa rica em carbono em um forno CVD (e, às vezes, notoriamente, um cookie) - para o catalisador e, finalmente, para a rede de grafeno.

p "Devido aos talentos e esforços dos químicos de materiais, o grafeno agora cresce como mofo em quase tudo, e de quase qualquer matéria-prima, "Yakobson disse." Mas sua aparência e a forma que assume são difíceis de entender ou prever.

p "Se você derramar um pouco de água em um apartamento, mesa horizontal, vai formar uma pequena poça de formato circular, porque a água é isotrópica - todas as direções são idênticas, e um círculo tem o menor perímetro e, portanto, a forma de menor energia, " ele disse.

p Mas na nanoescala, átomos de carbono nem sempre agem como água. “Quando o carbono é 'derramado' no metal, as coisas ficam mais complicadas, "disse ele." Direções diferentes ditam propriedades físicas diferentes, e como resultado, a forma do grafeno pode ser um polígono, uma estrela ou uma flor. "

p Isso soa como a forma como um cristal cresce, uma propriedade que não foi perdida pelos pesquisadores.

p "Apesar da enorme quantidade de pesquisas sendo feitas sobre o grafeno em todo o mundo, quase ninguém até agora tratou a síntese de grafeno como um processo de crescimento de cristal e tirou proveito do rico conjunto de ferramentas teóricas desenvolvido em meados do século 20 para a tecnologia de semicondutores, "Artyukhov disse." A teoria do crescimento do cristal é um campo amplo e estabelecido da ciência, e há muitos outros conceitos que podem ser aplicados à síntese de grafeno além das primeiras etapas descritas em nosso trabalho. "

p A forma final do grafeno depende da interação sutil de energias e velocidade de crescimento. Como água, átomos seguem o caminho de menor resistência, e esse caminho pode mudar devido a pequenas mudanças de temperatura e variações na densidade do vapor de carbono.

p "À medida que o carbono é adicionado no crescimento do CVD, lados diferentes avançam com velocidades diferentes, "Yakobson disse.

p A equipe usou a teoria do funcional de densidade para calcular a formação de grafeno para todas as orientações de borda possíveis em vários catalisadores, incluindo níquel, ferro, cobre e cobalto. Eles descobriram que os níveis de energia dos átomos podem ser mapeados, passo a passo, conforme eles deixam o vapor e se juntam à rede em um nanorreator.

p Uma folha de grafeno começa a se formar quando os primeiros átomos de carbono se ligam ao catalisador e estabelecem um núcleo em torno do qual os átomos continuam a se estabelecer. O grafeno cresce em linhas à medida que novos átomos são adicionados, mas as linhas não têm bordas retas. Alguns têm um padrão em ziguezague, outros têm uma forma mais complexa que os cientistas chamam de poltrona. A forma do padrão de borda é ditada pelo uso mais eficiente de energia. A equipe do Rice descobriu que as bordas em zigue-zague enfrentam uma barreira de alta energia no início de uma nova linha, mas o resto dos átomos da linha se alinham com rapidez e facilidade. Para poltronas, a barreira inicial é menor, mas permanece a mesma para todos os átomos subsequentes que se encaixam.

p Bordas tortas - entre o zigue-zague e a poltrona - crescem mais rápido de tudo, porque eles têm a menor barreira de energia para superar para iniciar ou completar uma linha, Disse Liu. Também interessante, ele disse, é a descoberta de que o vapor de carbono com pares de átomos chamados dímeros pode levar ao crescimento mais rápido e de melhor qualidade do grafeno.

p Os pesquisadores descobriram que as bordas em zigue-zague atrasadas são um gargalo que, independente do substrato de metal, ajuda a determinar a forma geral de uma flor de grafeno. Outros fatores cinéticos também podem levar a variações que produzem estrelas, flores ou formas assimétricas.

p Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que as bordas da poltrona de pentágono aberto são o padrão de crescimento mais provável sob equilíbrio no ferro, cobalto e níquel, enquanto as bordas em zigue-zague eram especialmente pronunciadas em um catalisador de cobre. Eles também encontraram evidências matemáticas de que certos defeitos, em que pares de polígonos de cinco e sete átomos substituem hexágonos adjacentes, são improváveis ​​de se formar, exceto no vácuo, um cenário irreal para o crescimento do grafeno. Isso coloca a nova teoria em linha com o trabalho anterior de Yakobson para mostrar o quão improváveis ​​são os defeitos de formação durante o cultivo de nanotubos de carbono.

p Yakobson disse que a teoria avança em um que a comunidade de crescimento de carbono considera canônico - o paradigma vapor-líquido-sólido - indo direto aos menores detalhes.