p Joshua Robinson relembra o dia em 2006 quando soube de um material que é, para todos os fins práticos, bidimensional. p No momento, ele era um pesquisador de pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa Naval em Washington, D.C. Seu conselheiro, Eric Snow, estava delirando sobre o grafeno, uma forma de carbono recém-isolada. Um primo do amplamente conhecido buckminsterfullerene (ou "buckyballs") e nanotubos de carbono, o grafeno era uma folha plana com apenas um átomo de carbono de espessura. Os átomos estavam ligados em um de seis lados, padrão de tela de galinheiro, formando uma rede com propriedades surpreendentes. Era flexível, transparente, e mais forte do que o aço. Conduzia eletricidade melhor do que cobre e calor melhor do que qualquer coisa. Resumidamente, o carbono nesta forma não se comportava mais como carbono. Ele agiu como um material inteiramente novo.

p O grafeno ficou conhecido como o primeiro bidimensional, ou monocamada, material. De fato, com um terço de um bilionésimo de um metro de espessura, é o mais próximo bidimensional que um objeto tangível pode chegar. Grafeno é 300, 000 vezes mais fino do que o papel comum para impressoras. Se o papel fosse tão grosso quanto um prédio de seis andares é alto, o grafeno seria a espessura do papel original.

p Robinson estava em uma posição ideal para reconhecer a importância dos materiais bidimensionais (2D). Ele estava trabalhando com nanotubos de carbono, adaptando-os para detectar quantidades mínimas de substâncias transportadas pelo ar, como aquelas emitidas por armas químicas e dispositivos explosivos.

p "O grafeno era simplesmente um nanotubo descompactado, "diz Robinson, que agora é professor assistente e Corning Faculty Fellow no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Estado de Penn. "Eric estava tão animado que não pude deixar de começar a ler sobre o grafeno, e instantaneamente ficou fisgado - este 'novo material' parecia bom demais para ser verdade. "

p Obstáculos

p Cientistas, engenheiros, e os investidores em todo o mundo ficaram entusiasmados com o grafeno, especialmente seu potencial para revolucionar a eletrônica. O termo "pós-silício" foi cunhado para descrever esta nova fronteira, e em 2010 a descoberta e caracterização inicial do grafeno ganharam o Prêmio Nobel de Física.

p Mas a transição da descoberta para a aplicação prática acabou não sendo tão fácil. Embora os cientistas de materiais possam criar uma variedade de novos materiais 2D usando outros elementos e compostos, eles nem sempre podiam prever quais propriedades esses materiais teriam. Os pedaços minúsculos ou mesmo microscópicos da monocamada eram difíceis de manipular e analisar, apesar de sua força, eles eram facilmente rasgados - e impossíveis de fazer em escala industrial.

p O que o campo precisava era de uma compreensão mais profunda dos materiais 2D e suas propriedades estranhas. Para enfrentar este desafio, em 2013, o Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State iniciou o Centro de Materiais em Camadas e Duas Dimensões (2DLM). O centro reúne cerca de 50 professores, pesquisadores de pós-doutorado, e alunos da Penn State e de outras instituições em todo o país. É o primeiro centro de pesquisa a se concentrar não apenas no grafeno, mas "além do grafeno, "de acordo com Robinson, o diretor associado do centro. "Isso realmente ajudou a atrair alguns dos melhores novos professores do país, bem como muitos alunos de alto desempenho. "

p Blocos de construção

p O trabalho no centro aborda vários temas amplos, como encontrar novas maneiras de fazer materiais 2D e combinar monocamadas feitas de diferentes compostos, desenvolver técnicas para analisar novos materiais e suas propriedades, compreender como a arquitetura de um material em camadas afeta suas propriedades, e transferência de tecnologia - buscando patentes e produtos comercialmente viáveis.

p Os cientistas daqui criaram novos materiais de monocamada combinando uma variedade de elementos, como tungstênio ou molibdênio com enxofre, gálio ou silício com selênio, e boro com nitrogênio.

p Técnicas aprimoradas para estudar materiais 2D tornaram mais fácil prever quais compostos formarão monocamadas e como eles podem se comportar nessa forma. Como o grafeno, esses materiais exibem propriedades não vistas em suas formas tridimensionais. Vários deles, como dissulfeto de molibdênio, dissulfeto de tungstênio, e uma forma de nitreto de boro - são semicondutores que oferecem a promessa de eletrônicos ultrapequenos. Alguns são fotoluminescentes, absorvendo luz de um comprimento de onda e enviando a energia de volta em outro comprimento de onda. Eles podem se tornar a base para uma nova geração de dispositivos que detectam ou emitem luz.

p Alguns produtos baseados em monocamada estão agora trabalhando em direção a aplicações comerciais.

p "Eu vi, toquei e usei monitores de tela plana usando grafeno como condutor, eletrodo transparente, "diz Mauricio Terrones, professor de física, química, e ciência e engenharia de materiais, e diretor do 2DLM. “Este pode ser o primeiro produto do mercado. A vantagem do grafeno é fazer telas planas flexíveis, algo que não é possível fazer com a tecnologia atual. "

p Grandes projetos com o objetivo de transformar essas tecnologias futurísticas em realidades estão em andamento na Penn State. A National Science Foundation (NSF) recentemente ofereceu apoio a três dos projetos do centro com mais de US $ 4 milhões em bolsas de pesquisa. O grupo de Robinson está desenvolvendo um novo tipo de transistor pós-silício, abrindo o caminho para eletrônicos cada vez menores. Joan Redwing, professor de ciência e engenharia de materiais, e sua equipe estão trabalhando em maneiras de criar materiais bidimensionais em baixas temperaturas, tornar a produção mais viável para a indústria e permitir que os materiais se formem em vidro e plástico. Zhiwen Liu, professor de engenharia elétrica, e Ana Laura Elias Arriaga, pesquisador associado em física, estão trabalhando com colegas do Rensselaer Polytechnic Institute para desenvolver materiais em camadas para uso em tecnologias baseadas em luz.

p Monocamadas de empilhamento

p Terrones e Robinson acreditam que a chave para o sucesso em seu campo será combinar diferentes tipos de monocamadas. O grupo de Robinson trabalhou com outros professores e pesquisadores da Penn State University na Universidade do Texas em Dallas para induzir diferentes materiais bidimensionais a se formarem diretamente uns sobre os outros.

p "Fazendo isso, conseguimos alcançar interfaces realmente limpas entre as camadas, "Robinson diz." Esta é uma chave para novos circuitos nanoeletrônicos. "

p Tal como acontece com materiais em camadas feitos de um único composto, esses materiais "híbridos" geralmente exibem comportamentos inesperados - e potencialmente úteis. Dois desses materiais foram feitos no laboratório de Pulickel Ajayan, um membro 2DLM da Rice University, e depois enviado para Terrones para análise.

p Em uma tentativa de fazer os materiais em temperaturas mais baixas do que nunca, um avanço que facilitaria a produção em massa, A equipe de Ajayan inadvertidamente fez com que dois materiais familiares se estabelecessem em novos relacionamentos.

p Em uma temperatura, dissulfeto de tungstênio formou uma camada no topo de uma camada de dissulfeto de molibdênio. Nesta configuração, os materiais combinados funcionam como um transistor. Em outra temperatura, os dois materiais formaram camadas lado a lado no mesmo plano.

p "É como ter dois tecidos diferentes unidos, mas na junta os dois tecidos são como um, "diz Terrones. Na configuração de ponta a ponta, a junção entre os dois tecidos é um ponto de encontro onde elétrons e fótons passam energia de um lado para outro.

p "Estamos descobrindo que esses materiais podem ter usos importantes como fotossensores muito rápidos e sensíveis ou até mesmo dispositivos emissores de luz, "Terrones diz.

p O velho oeste'

p Com descobertas semelhantes ocorrendo quase semanalmente, as previsões de novos produtos surpreendentes voltaram. Desta vez, a emoção tem uma base sólida de ciência básica - e desta vez, os cientistas e engenheiros estão olhando além do objetivo inicial de transformar o grafeno em um novo tipo de material semicondutor.

p "É provável que o grafeno e outros materiais 2D sejam componentes importantes de dispositivos eletrônicos vestíveis, ", diz Terrones." Também prevejo que veremos esses materiais em revestimentos 'inteligentes' que alteram as propriedades por meio de um estímulo externo. "Os revestimentos 2D podem combater a ferrugem e as bactérias. Eles podem servir como detectores sensíveis da qualidade do ar. Eles podem até desencorajar cracas de cascos de barcos sujos. As possibilidades parecem ilimitadas.

p Robinson concorda.

p "Os materiais bidimensionais são muito mais do que uma substituição do silício, "ele diz." O principal sobre '2D' é que ele é como o Velho Oeste agora. Existe um número quase inimaginável de aplicações potenciais por aí. Mas primeiro precisamos entender suas propriedades básicas para poder identificar melhor quais aplicações irão se beneficiar com esses novos materiais. "