p (Phys.org) —Os cientistas desenvolveram um nanomaterial promissor que pode ser adaptado para uso em uma ampla gama de aplicações. Uma equipe internacional liderada por cientistas do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL) e do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Potsdam-Golm desenvolveu um método elegante para produzir nanocamadas de carbono auto-organizadas e equipá-las quimicamente com uma variedade de funções. Acredita-se que tais nanocamadas de carbono funcionalizadas sejam adequadas para várias aplicações. Por exemplo, eles podem atuar como revestimentos que tornam as superfícies à prova de arranhões e repelentes de sujeira, ou como sensores para a detecção de quantidades extremamente pequenas de substâncias. A condutividade elétrica das camadas de carbono também as torna adequadas para uso como componentes eletrônicos em várias aplicações. p Na tecnologia de amanhã, algo inconcebivelmente pequeno pode muito bem se tornar um gigante. Os cientistas estão pesquisando muitas variantes de nanomateriais, ou seja, substâncias com dimensões na faixa de 100 nanômetros. O prefixo nano deriva da palavra grega para anão, e refere-se a uma bilionésima parte. Assim, um nanômetro é um bilionésimo de um metro. Os cientistas estão muito entusiasmados com um material em particular que vem nessas dimensões:nanocamadas de carbono. São camadas de átomos de carbono semelhantes a favo de mel, com alguns nanômetros de espessura - ou até menos. As nanocamadas de carbono mais finas concebíveis desse tipo são os grafenos, que consistem em uma única camada de carbono.

p Para muitas aplicações, seria importante poder equipar essas folhas de carbono ultrafinas com certos resíduos de moléculas químicas, conhecidos como grupos funcionais. "Isso só foi possível até certo ponto, porque as nanofolhas de carbono geralmente só podem ser preparadas em temperaturas extremamente altas - e, Portanto, sob condições que destruiriam imediatamente esses grupos funcionais, "explica Gerald Brezesinski, do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Golm, perto de Potsdam. Junto com colegas de seu Instituto, Brezesinski apoiou pesquisadores do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL) no desenvolvimento de uma abordagem de síntese que poderia ser de interesse neste contexto. Usando este método, nanocamadas de carbono, incluindo grupos funcionais, podem ser acessíveis a temperaturas consideravelmente mais baixas do que as normalmente aplicadas na produção de tais materiais.

p Mergulhando fundo no saco de truques químicos

p Para formar uma estrutura plana a partir de átomos de carbono, os pesquisadores suíços empregaram uma série de truques. Um dos principais dizia respeito ao composto inicial selecionado, uma molécula cuja seção intermediária tem seis ligações triplas e simples alternadas de carbono-carbono. Essas seções consistem exclusivamente em átomos de carbono e são altamente reativas, pois também podem sofrer reações químicas em temperaturas mais baixas. Em contraste com outros processos, isso significa que finas camadas de carbono podem ser produzidas a partir dessas moléculas em temperatura ambiente.

p Usando uma configuração de teste especial, os cientistas fizeram com que muitas dessas moléculas se alinhassem perfeitamente em paralelo umas às outras em uma única camada auto-organizada - como as cerdas de um pincel. Contudo, havia uma pequena diferença nas cerdas do pincel:cada uma das cadeias paralelas de moléculas tinha uma ligeira curvatura. Como resultado deste acordo, as seções ricas em carbono de todas as moléculas estavam localizadas no mesmo nível. Quando os pesquisadores aplicaram luz ultravioleta a esta configuração, algumas das ligações triplas se romperam e, em vez disso, formaram-se ligações entre os átomos de carbono das moléculas vizinhas. Como quase todas as cerdas foram eventualmente ligadas às cerdas vizinhas, uma camada consistente de átomos de carbono surgiu - uma nanocamada de carbono.

p Para permitir que tudo isso aconteça, os cientistas baseados em Lausanne claramente tiveram que cavar fundo na caixa de truques químicos para o projeto do precursor molecular. A fim de garantir o arranjo paralelo de suas moléculas, eles criaram moléculas semelhantes ao surfactante, semelhantes aos encontrados em detergente líquido. Embora uma extremidade dessas moléculas se dissolva bem na água, o outro não se dissolve de forma alguma. Entre essas duas pontas, os cientistas colocaram as ligações triplas reativas.

p Quando eles colocaram seu composto em contato com a água neste ponto, apenas uma extremidade da molécula foi dissolvida. Todo o resíduo restante era tão insolúvel que se projetava da superfície para o ar. Os pesquisadores tiveram sucesso em estabelecer deliberadamente uma distância uniforme entre as cerdas moleculares individuais. No nível das ligações triplas, isso tinha que ser menor que 0,4 nanômetros, já que os átomos de carbono vizinhos estão próximos o suficiente um do outro, neste caso, para formar novas ligações entre si sob a luz ultravioleta.

p Sucesso do processo de síntese confirmado por análise altamente especializada

p Para os cientistas, era importante entender como a camada molecular ao longo da fronteira água-ar realmente parecia, e como isso mudou no curso da reação. Métodos especiais entraram em jogo aqui, que fazem parte do repertório de Gerald Brezesinski e seu Grupo de Pesquisa no Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Potsdam. Por exemplo, para detectar a posição dos átomos relevantes na camada limite - e, portanto, também o arranjo exato das moléculas iniciais - os pesquisadores usaram feixes de raios-x de alta energia do síncrotron DESY em Hamburgo. As maneiras pelas quais esses feixes foram espalhados ou refletidos na fina camada de amostra eventualmente forneceram a Gerald Brezesinski e sua colega Cristina Stefaniu, que agora trabalha na Universidade de Potsdam, com informações sobre o arranjo exato das moléculas iniciais.

p Com a ajuda da espectroscopia de absorção de reflexão infravermelha, os cientistas mais tarde conseguiram rastrear a reação real durante a irradiação UV. Para fazer isso, eles mediram como o sinal característico das ligações triplas diminuiu continuamente ao longo da reação. Uma técnica muito especial usada pelos pesquisadores em Potsdam foi útil aqui. Influências perturbadoras das moléculas de água presentes só poderiam ser mascaradas com a ajuda desta técnica. "Existem apenas alguns grupos de pesquisa no mundo que podem tornar este tipo de espectroscopia infravermelha em tais camadas visíveis, "enfatiza Gerald Brezesinski.

p Técnicas especiais usadas pelos pesquisadores de Max Planck baseados em Potsdam também se mostraram úteis na caracterização do produto resultante. Estes incluíam, por exemplo, a microscopia de ângulo de Brewster, que foi desenvolvido há cerca de 20 anos no Instituto Max Planck de Química Biofísica em Göttingen. Com a ajuda deste microscópio, os pesquisadores conseguiram mostrar que o produto era uma camada lisa muito homogênea, que tem um total de dois nanômetros de espessura - e, Portanto, na verdade, uma nanocamada de carbono.

p Gerald Brezesinski, do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces de Potsdam, também ficou satisfeito com este sucesso:"Isso significa que é realmente possível projetar moléculas semelhantes a surfactantes de uma forma que permita seu uso na síntese de uma camada de carbono em um superfície da água. Fomos capazes de provar isso com a ajuda de nossos métodos. "

p Ponto de partida para "nanocamadas de carbono funcionais"

p No final do processo de síntese, as extremidades das moléculas iniciais ainda se projetavam da nanocamada - a extremidade solúvel em água de um lado e a extremidade insolúvel do outro. Este fator particular é extremamente importante para os pesquisadores, pois cria a possibilidade de anexar grupos químicos no final antes da síntese, o que dará à nanocamada de carbono subsequente uma função especial. Os apêndices químicos resistiriam ao processo de produção leve sem danos, e também seria conservado na nanocamada de carbono resultante.

p Desta maneira, por exemplo, seria possível ancorar grupos químicos de um lado que mais tarde apoiariam a conexão a certas superfícies de vidro ou metal. Grupos também podem ser fixados no outro lado, o que tornaria a camada repelente de sujeira. A própria camada de carbono também tornaria a superfície muito resistente a arranhões. Nanossensores químicos também podem ser construídos a partir dessas camadas finas. Para este fim, os grupos químicos podem ser integrados nas moléculas iniciais que mais tarde garantem a interação com a substância ou grupo de substâncias a ser medido. A alta condutividade elétrica das nanocamadas de carbono poderia então ser usada para a transmissão dos sinais de medição. Os pesquisadores de Lausanne e Potsdam esperam, portanto, que seu processo inovador para a produção de nanocamadas de carbono auto-organizadas e funcionais abrirá o caminho para um grande número de novas aplicações interessantes.