Quando se trata do crescimento do grafeno - um ultrafino, ultra forte, material todo em carbono - é a sobrevivência do mais apto, de acordo com pesquisadores da Universidade do Texas em Austin.

A equipe usou o oxigênio da superfície para cultivar cristais de grafeno únicos em cobre. Os cristais eram cerca de 10, 000 vezes maior que os maiores cristais de apenas quatro anos atrás. Monocristais muito grandes têm propriedades elétricas excepcionais.

"O jogo que jogamos é que queremos que ocorra a nucleação (o crescimento de minúsculas 'sementes de cristal'), mas também queremos aproveitar e controlar quantos desses pequenos núcleos existem, e que ficará maior, "disse Rodney S. Ruoff, professor da Escola de Engenharia Cockrell. "O oxigênio na concentração de superfície correta significa que apenas alguns núcleos crescem, e os vencedores podem se transformar em cristais muito grandes. "

A equipe, liderada pelo pós-doutorado Yufeng Hao e Ruoff do Departamento de Engenharia Mecânica e do Programa de Ciência e Engenharia de Materiais, junto com Luigi Colombo, um cientista material da Texas Instruments - trabalhou por três anos no método de crescimento do grafeno. O papel da equipe, "O papel do oxigênio de superfície no crescimento de grafeno monocristalino grande no cobre, "é destaque na capa do 8 de novembro, 2013, emissão de Ciência .

Um dos materiais mais fortes do mundo, o grafeno é flexível e possui alta condutividade elétrica e térmica, o que o torna um material promissor para eletrônicos flexíveis, células solares, baterias e transistores de alta velocidade. A compreensão da equipe de como o crescimento do grafeno é influenciado por diferentes quantidades de oxigênio na superfície é um passo importante em direção a filmes de grafeno de alta qualidade aprimorados em escala industrial.

O método da equipe "é um avanço fundamental, que levará ao crescimento de filme de grafeno de alta qualidade e grande área, "disse Sanjay Banerjee, que dirige a South West Academy of Nanoelectronics (SWAN) da Escola Cockrell. "Aumentando os tamanhos de domínio de cristal único, as propriedades de transporte eletrônico serão dramaticamente melhoradas e levarão a novas aplicações em eletrônica flexível. "

O grafeno sempre foi cultivado em uma forma policristalina, isso é, é composto de muitos cristais que são unidos por ligações químicas irregulares nos limites entre os cristais ("limites de grão"), algo como uma colcha de retalhos. O grafeno de cristal único grande é de grande interesse porque os limites de grão no material policristalino têm defeitos, e eliminar esses defeitos torna o material melhor.

Ao controlar a concentração de oxigênio na superfície, os pesquisadores puderam aumentar o tamanho do cristal de um milímetro para um centímetro. Em vez de cristais menores e em formato de hexágono, a adição da quantidade certa de oxigênio na superfície produziu cristais únicos muito maiores com bordas multibrancadas, semelhante a um floco de neve.

"No longo prazo, pode ser possível obter cristais únicos de um metro de comprimento, "Ruoff disse." Isso tem sido possível com outros materiais, como silício e quartzo. Mesmo o tamanho de um centímetro de cristal - se os limites dos grãos não forem muito defeituosos - é extremamente significativo. "

"Podemos começar a pensar no uso potencial desse material em aviões e em outras aplicações estruturais - se ele provar ser excepcionalmente forte em escalas de comprimento, como partes de uma asa de avião, e assim por diante, " ele disse.

Outra descoberta importante da equipe foi que a "mobilidade do portador" dos elétrons (a velocidade com que os elétrons se movem) em filmes de grafeno crescidos na presença de oxigênio na superfície é excepcionalmente alta. Isso é importante porque a velocidade com que os portadores de carga se movem é importante para muitos dispositivos eletrônicos - quanto maior a velocidade, mais rápido o dispositivo pode funcionar.

Yufeng Hao diz acreditar que o conhecimento obtido neste estudo pode ser útil para a indústria.

"A alta qualidade do grafeno cultivado por nosso método provavelmente será desenvolvida pela indústria, e isso permitirá que os dispositivos sejam mais rápidos e eficientes, "Hao disse.

Filmes de cristal único também podem ser usados ​​para a avaliação e desenvolvimento de novos tipos de dispositivos que exigem uma escala maior do que poderia ser alcançado antes, acrescentou Colombo.

"Neste momento, não há outras técnicas relatadas que podem fornecer filmes transferíveis de alta qualidade, "Colombo disse." O material que fomos capazes de cultivar será muito mais uniforme em suas propriedades do que um filme policristalino. "