p Físicos da Universidade de Kansas fabricaram uma substância inovadora a partir de duas folhas atômicas diferentes que se interligam de maneira muito parecida com os tijolos de brinquedo Lego. Os pesquisadores disseram que o novo material - feito de uma camada de grafeno e uma camada de dissulfeto de tungstênio - pode ser usado em células solares e eletrônicos flexíveis. Suas descobertas são publicadas hoje por Nature Communications . p Hsin-Ying Chiu, professor assistente de física e astronomia, e o estudante de graduação Matt Bellus fabricou o novo material usando "montagem camada por camada" como uma técnica de nanofabricação versátil de baixo para cima. Então, Jiaqi He, um estudante visitante da China, e Nardeep Kumar, um estudante de graduação que agora mudou para a Intel Corp., investigou como os elétrons se movem entre as duas camadas por meio de espectroscopia de laser ultrarrápida no Laboratório de laser ultrarrápido da KU, supervisionado por Hui Zhao, professor associado de física e astronomia.

p "Construir materiais artificiais com funcionalidade sinérgica tem sido uma longa jornada de descoberta, "Chiu disse." Uma nova classe de materiais, feito de materiais em camadas, tem atraído muita atenção desde o rápido desenvolvimento da tecnologia do grafeno. Um dos aspectos mais promissores desta pesquisa é o potencial para desenvolver materiais de próxima geração por meio do controle em nível de camada atômica sobre sua estrutura eletrônica. "

p De acordo com os pesquisadores, a abordagem é projetar materiais sinérgicos combinando duas folhas grossas de átomo único, por exemplo, atuando como uma célula fotovoltaica, bem como um diodo emissor de luz, conversão de energia entre eletricidade e radiação. Contudo, combinar camadas de material atomicamente fino é uma tarefa espinhosa que tem confundido os pesquisadores por anos.

p "Um grande desafio dessa abordagem é que, a maioria dos materiais não se conectam por causa de seus diferentes arranjos atômicos na interface - o arranjo dos átomos não pode seguir os dois conjuntos diferentes de regras ao mesmo tempo, "Disse Chiu." É como brincar com Legos de tamanhos diferentes, feitos por fabricantes diferentes. Como consequência, novos materiais só podem ser feitos de materiais com arranjos atômicos muito semelhantes, que costumam ter propriedades semelhantes, também. Mesmo assim, arranjo de átomos na interface é irregular, o que geralmente resulta em qualidades ruins. "

p Materiais em camadas, como os desenvolvidos pelos pesquisadores da KU, fornecem uma solução para esse problema. Ao contrário dos materiais convencionais formados por átomos fortemente ligados em todas as direções, o novo material apresenta duas camadas onde cada folha atômica é composta de átomos fortemente ligados a seus vizinhos - mas as duas folhas atômicas estão apenas fracamente ligadas uma à outra pela chamada força de van der Waals, o mesmo fenômeno atraente entre moléculas que permite que as lagartixas grudem em paredes e tetos.

p "Existem cerca de 100 tipos diferentes de cristais em camadas - a grafite é um exemplo bem conhecido, "Bellus disse." Por causa da conexão fraca entre as camadas, pode-se escolher quaisquer dois tipos de folhas atômicas e colocar uma sobre a outra sem nenhum problema. É como jogar Legos com fundo plano. Não há restrição. Esta abordagem pode potencialmente produzir um grande número de novos materiais com novas propriedades combinadas e transformar a ciência dos materiais. "

p Chiu e Bellus criaram o novo material de dissulfeto de carbono e tungstênio com o objetivo de desenvolver novos materiais para células solares eficientes. A única folha de átomos de carbono, conhecido como grafeno, é excelente em mover elétrons, enquanto uma única camada de átomos de dissulfeto de tungstênio é boa para absorver a luz do sol e convertê-la em eletricidade. Ao combinar os dois, este material inovador pode desempenhar bem ambas as tarefas.

p A equipe usou fita adesiva para retirar uma única camada de átomos de dissulfeto de tungstênio de um cristal e aplicá-la a um substrato de silício. Próximo, eles usaram o mesmo procedimento para remover uma única camada de átomos de carbono de um cristal de grafite. Com um microscópio, eles colocaram precisamente o grafeno no topo da camada de dissulfeto de tungstênio. Para remover qualquer cola entre as duas camadas atômicas que são introduzidas acidentalmente durante o processo, o material foi aquecido a cerca de 500 graus Fahrenheit por meia hora. Isso permitiu que a força entre as duas camadas espremesse a cola, resultando em uma amostra de duas camadas atomicamente finas com uma interface limpa.

p Alunos de doutorado Ele e Kumar testaram o novo material no Laboratório de laser ultrarrápido da KU. Os pesquisadores usaram um pulso de laser para excitar a camada de dissulfeto de tungstênio.

p "Descobrimos que quase 100 por cento dos elétrons que absorveram a energia do pulso de laser se movem do dissulfeto de tungstênio para o grafeno em um picossegundo, ou um milionésimo de um milionésimo de segundo, "Zhao disse." Isso prova que o novo material realmente combina as boas propriedades de cada camada de componente. "

p Os grupos de pesquisa liderados por Chiu e Zhao estão tentando aplicar essa abordagem Lego a outros materiais. Por exemplo, combinando dois materiais que absorvem luz de cores diferentes, eles podem fazer materiais que reagem a diversas partes do espectro solar.