p (Phys.org) —Os cientistas propuseram uma nova família de estruturas que são variações tridimensionais (3D) do grafeno, o exemplo mais simples é chamado de "hiper-favo de mel". Se as estruturas propostas podem ser realizadas experimentalmente, as novas maneiras de organizar os átomos de carbono se somariam ao número cada vez maior de novos alótropos de carbono. Os cientistas também prevêem que, entre suas propriedades interessantes, o hiper-favo de mel poderia ser ainda mais estável do que o diamante. p Os cientistas, Kieran Mullen, Bruno Uchoa, e Daniel T. Glatzhofer da Universidade de Oklahoma, publicaram um artigo sobre a proposta de hiper-favo de mel e estruturas relacionadas em uma edição recente da Cartas de revisão física .

p O grafeno é frequentemente descrito como tendo uma estrutura em favo de mel ou arame de galinheiro, porque consiste em átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal de camada única de espessura. Nesta estrutura 2D, cada átomo de carbono está conectado a três outros átomos de carbono. A "conectividade trigonal planar" resultante contribui para as propriedades únicas do grafeno, em particular suas propriedades elétricas que o tornam um excelente semicondutor.

p Como os cientistas explicam, a conectividade trigonal do grafeno produz algo incomum:faz com que a energia de um elétron varie linearmente com o momento, o que faz com que os elétrons imitem o comportamento dos elétrons que se movem perto da velocidade da luz. Os valores dos momentos nos quais esse comportamento ocorre são chamados de "pontos de Dirac", de acordo com a equação de Dirac que descreve os elétrons relativísticos. A maioria das estruturas materiais, carbono ou de outra forma, não contêm pontos Dirac. Este comportamento linear influencia fortemente como os elétrons se comportam, afetando seu espalhamento e suas interações com vibrações na rede.

p Aqui, os cientistas investigaram o que acontece quando os pontos de Dirac em uma estrutura trigonal plana baseada em carbono são estendidos para o espaço tridimensional para formar loops de Dirac. Os loops de Dirac não são tão bem compreendidos quanto os pontos de Dirac porque, ao contrário dos pontos de Dirac que compartilham semelhanças com elétrons relativísticos, Os loops de Dirac não têm um análogo relativístico. A data, Loops de Dirac nunca foram observados experimentalmente, e sua existência apenas foi prevista em alguns materiais bem ajustados.

p A análise dos cientistas revelou que os loops de Dirac podem teoricamente se formar quando cadeias de átomos de carbono conectados trigonalmente são empilhados perpendicularmente uns aos outros. Este arranjo difere do grafite, que também é uma forma 3D de grafeno, mas no grafite as camadas de grafeno são empilhadas umas sobre as outras como uma pilha de papel.

p As cadeias empilhadas perpendiculares propostas podem ter muitas dimensões diferentes devido às diferentes combinações possíveis de hexágonos de favo de mel verticais e horizontais na célula unitária de cada cadeia. Por exemplo, o exemplo mais simples, o hiper-favo de mel, consiste em apenas dois átomos de carbono em cada cadeia vertical e horizontal. Com suas camadas verticais e horizontais, a treliça hiper-favo de mel lembra um pouco as prateleiras de uma pequena estante de dois lados.

p "O significado do nosso trabalho é duplo, "Mullen disse Phys.org . "Primeiro, este é o primeiro sistema simples a exibir loops de Dirac. Os loops de Dirac são um comportamento ainda não visto em sistemas eletrônicos. A existência de tal loop teria fortes efeitos sobre como os elétrons fluem através do sistema e como eles se comportam na presença de um campo magnético.

p "Segundo, o sistema leva a uma série de sistemas relacionados que teriam todos semelhantes, comportamento incomum. Alguns são outras estruturas de carbono, outros são sistemas físicos diferentes (por exemplo, uma rede óptica de átomos de gás frio) que estão conectados de maneira semelhante. Podemos encontrar mais comportamentos incomuns à medida que exploramos o 'zoológico' de sistemas. "

p Como os cientistas explicaram, a estrutura 3D também pode tornar os alótropos hiper-favo de mel extremamente estáveis ​​- até mais do que diamante ou grafite.

p "A estabilidade pode ser complicada, "Mullen disse, referindo-se a como a estabilidade é definida. "O diamante é mais forte do que o grafite, mas "menos estável" porque não é a forma de carbono com a energia mais baixa. É 'metaestável' no sentido de que você teria que esperar um tempo inacreditavelmente longo antes que ele mudasse espontaneamente!

p "Sabemos que a estrutura H0 [hiper-favo de mel] é metaestável - qualquer pequena deformação da estrutura aumenta a energia. Sabemos que seria difícil para o sistema encontrar uma maneira de se reorganizar em qualquer outra rede. Nós estão tentando calcular a 'dureza' e a 'resistência'. O grafeno é forte (é difícil de rasgar) mas não é duro (pode ser esticado). Saberemos mais neste verão sobre as propriedades do material. "

p Os cientistas esperam que sintetizar esta nova família de alótropos de carbono seja um desafio, mas possível com a tecnologia atual. A síntese pode exigir dopagem de cadeias de carbono substituindo outros átomos, como tálio, para alguns dos átomos de carbono, a fim de facilitar o crescimento das estruturas propostas. Além disso, mesmo que essas estruturas não possam ser realizadas em carbono, eles podem ser criados em redes ópticas de átomos de gás frio, ou talvez em outras nanoestruturas produzindo loops semelhantes.

p "Primeiro, vamos explorar ainda mais o 'zoológico' dessas treliças, "Mullen disse." Isso envolve o cálculo de sua condutividade térmica, rigidez, força de rendimento, e magneto-condutividade. Segundo, iremos além desta imagem simples de um único elétron desses sistemas. Terceiro, vamos trabalhar com colaboradores que queiram sintetizar esses materiais. " p © 2015 Phys.org