(Phys.org) - Um material não pode ficar mais fino. O grafeno consiste em apenas uma camada de átomos de carbono. Contudo, essa não é a única razão pela qual os cientistas de materiais estão interessados ​​neste material:eles são fascinados principalmente por suas propriedades extraordinárias. Linjie Zhi e seu Grupo de Parceiros no Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros estão usando química para otimizar o grafeno para várias aplicações.

Grafeno, uma camada fina de carbono com uma estrutura que lembra uma rede de galinheiro, é o pau para toda obra de pesquisa de materiais. Tem apenas uma camada atômica de espessura, no laboratório é 200 vezes mais forte que o aço, conduz eletricidade 100 vezes melhor do que o silício, é tão flexível quanto um plástico, e em camadas individuais é quase tão transparente quanto o vidro. Físicos e cientistas de materiais estão entusiasmados. Mas cientistas de outras disciplinas estão demonstrando pouco interesse.

Completamente errado, acredita Linjie Zhi:"Até agora, a pesquisa científica tem se concentrado quase exclusivamente nas propriedades físicas do grafeno, mas seu comportamento químico é pelo menos tão excitante ", diz o químico. Zhi, quem, no Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia em Pequim, chefia o grupo de parceiros 'Nanomateriais ricos em carbono' do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros em Mainz está usando a química do material para otimizar suas propriedades para aplicações específicas.

Em seu laboratório no oitavo andar do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia em Pequim, existem inúmeros frascos contendo o que à primeira vista parece ser um conteúdo indefinido. Os recipientes são etiquetados ordenadamente - em uma mistura de números e caracteres chineses. Seu conteúdo é principalmente preto profundo, mas às vezes também marrom-ferrugem porque, em grande número, as folhas de grafeno absorvem muita luz. A maioria dos frascos contém um pó; uns poucos, Contudo, segure um grosso, líquido escuro.

Todas as substâncias, no entanto, são partículas de grafeno em diferentes formas e composições. Eles são destinados ao uso como produtos de partida para reações químicas para criar baterias de alto desempenho, telas sensíveis ao toque mais flexíveis e catalisadores mais eficientes. "Fundamentalmente, o grafeno nada mais é do que um bloco de construção extremamente interessante para novas aplicações ", diz Zhi.

Seu interesse no material maravilhoso, a primeira produção experimental que recebeu o Prêmio Nobel em 2010, há muito tempo:depois de obter seu doutorado em química do carvão, Zhi trabalhou por cinco anos no Grupo de Química Sintética de Klaus Müllen no Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros, onde conheceu e amou o grafeno. "Depois de alguns anos, nós trabalhamos nisso, usando a estratégia correta, blocos de construção de grafeno podem ser usados ​​para produzir materiais altamente promissores com propriedades únicas ", diz o químico.

Quando Zhi voltou à China em 2008 e montou seu próprio grupo de trabalho, esse conhecimento não foi tudo o que ele levou consigo - ele também tinha seus contatos na Alemanha. "Simplesmente fez sentido juntar a experiência de síntese do Professor Müllen com a expertise de materiais do Professor Zhi em um Grupo Parceiro", diz Manfred Wagner, que coordena as atividades sino-alemãs em Mainz.

As plaquetas de grafeno usadas no laboratório de Zhi como material para todos os tipos de aplicações consistem em apenas algumas centenas, às vezes também alguns milhares, átomos de carbono. Por si próprios, Contudo, as moléculas bidimensionais, que pode ter até dez nanômetros de tamanho, mostram pouco interesse em combinar um com o outro. Eles são como tijolos de Lego sem os botões.

Mas é uma história diferente, uma vez que o grafeno foi tratado quimicamente. Uma abordagem altamente promissora, que os químicos da equipe de Klaus Müllen já vêm investigando há algum tempo, envolve a incorporação de outros átomos ou grupos de átomos em locais precisamente definidos na estrutura do grafeno:nitrogênio, oxigênio ou um grupo hidroxila consistindo de oxigênio e hidrogênio têm diferentes níveis de atividade química e também se comportam de maneira diferente do carbono. Se eles forem colocados no local correto, o potencial de reação do bloco de grafeno é modificado nesse ponto, resultando na formação de botões virtuais. Estruturas maiores agora podem ser montadas.

O único problema é colocar os grupos quimicamente ativos ou átomos na posição correta. "As condições de reação corretas são absolutamente vitais", diz Linjie Zhi. Temperatura, pressão, pH, a composição da solução ou a atmosfera em que a reação ocorre, determinar o resultado final. "As ligações químicas costumam se formar sob condições precisamente definidas, o que significa que podemos selecionar a posição exata de nossas moléculas ", diz Zhi.

As condições também devem ser adequadas para a próxima etapa:montagem química do grafeno manipulado. Se as condições forem certas, estruturas com propriedades surpreendentes podem finalmente ser obtidas - por exemplo, para novas baterias:as baterias de íon de lítio de hoje usam grafite como ânodo (que é o nome que os físicos dão ao eletrodo que aceita partículas carregadas negativamente), uma forma de carbono que consiste basicamente em milhares de camadas de grafeno. "Essas camadas são, Contudo, muito esticado para aplicações eficientes ", diz Zhi. Os íons não podem penetrar prontamente, e carregar e descarregar as baterias leva muito tempo.

A situação é diferente para as plaquetas de grafeno produzidas em Pequim:elas são grandes o suficiente para conduzir bem a eletricidade, mas não tão grande que os íons não possam mais obter acesso fácil ao material. Para construir baterias melhores, Zhi e sua equipe estão colocando os blocos de construção quimicamente modificados em uma espécie de túnel com apenas alguns nanômetros de tamanho. No túnel, colunas de camadas de grafeno perfeitamente ordenadas se formam que podem, por sua vez, ser processado para formar um eletrodo poroso. Como as colunas são extremamente finas, os íons de bateria carregados negativamente podem liberar prontamente sua carga.

"Embora hoje possa levar de oito a dez horas para carregar um carro elétrico, com nossas baterias levaria apenas uma hora ", diz Zhi. O que essa nova técnica pode realmente alcançar está sendo investigado no laboratório ao lado, onde dezenas de baterias autofabricadas, parecendo células-botão envoltas em filme plástico, estão pendurados em instrumentos de medição e em execução em ciclos de teste. Os resultados iniciais parecem encorajadores.

Outra sala acomoda o outro grande experimento em que o Grupo de Parceiros está trabalhando atualmente:telas sensíveis ao toque flexíveis com eletrodos de grafeno. Os smartphones de hoje usam principalmente contatos elétricos de óxido de índio-estanho em suas telas sensíveis ao toque, que é um material frágil cujo preço aumentou meteoricamente nos últimos anos devido à diminuição do fornecimento de índio.

Grafeno, que é simultaneamente condutor, transparente e flexível, já há muito tempo é considerada uma alternativa altamente promissora. O que faltou até agora é um processo de produção capaz de produzir os filmes a baixo custo, em alta qualidade e em grande escala. No método atualmente preferido, deposição de vapor químico (CVD), átomos de carbono são depositados, por exemplo, em uma superfície metálica, onde formam uma fina película de grafeno. Contudo, isso então tem que ser transferido para um filme de suporte que é caro e muitas vezes prejudica a qualidade.

No oitavo andar do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia, Zhi e seus colegas apostam na química como resposta:os pesquisadores de Pequim pegam grafite, convertê-lo em óxido de grafeno, produzir um filme fino dele em um filme de polietileno e, em seguida, expulsar o oxigênio do óxido de grafeno em uma reação química conhecida como redução. Contudo, os filmes resultantes geralmente são de baixa qualidade, com muitos defeitos.

Uma pequena linha de produção no laboratório de Linjie Zhi mostra que as coisas podem ser diferentes. No início da linha, lá está o enrolado ordenadamente, filme não tratado. No final encontram-se instalações para tratamento do produto acabado. A reação real ocorre no meio, em uma caixa marrom indefinida, que também é onde mais trabalho é necessário:"Basicamente, é uma questão de encontrar o processo de seleção correto ", diz Linjie Zhi. "Precisamos de blocos de construção confiáveis ​​que sejam os maiores possíveis, trabalhe o melhor possível, e ter o menor número possível de defeitos. "

Após três anos como um grupo parceiro do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros, os resultados agora se tornaram "extremamente promissores", diz Zhi. Os filmes de grafeno produzidos pela pequena linha de produção têm qualidade aceitável, transparência e condutividade. Sobre tudo, Contudo, eles são nitidamente mais baratos do que os produtos concorrentes obtidos por deposição de vapor.

Isso atraiu o interesse industrial. As negociações iniciais com empresas que desejam fazer uso da nova tecnologia em escala comercial já estão em andamento.