p Você pode ter ouvido falar do grafeno, uma folha de carbono puro, um átomo de espessura, isso é toda a moda nos círculos de ciência dos materiais, e recebendo muito hype da mídia também. Os relatórios proclamaram o grafeno como um ultrafino, Super forte, super-condutivo, material super flexível. Você pode ser desculpado por pensar que isso pode até salvar toda a humanidade de uma condenação certa. p Não exatamente. No mundo atual da nanoeletrônica, há muito mais coisas acontecendo do que apenas o grafeno. Um dos materiais com que trabalho, dissulfeto de molibdênio (MoS₂), é um material de uma camada com propriedades interessantes além das do grafeno. MoS₂ pode absorver cinco vezes mais luz visível do que o grafeno, tornando-o útil em detectores de luz e células solares. Além disso, até mesmo materiais mais novos como o borofeno (um material de uma camada feito de átomos de boro projetado para ser mecanicamente mais forte do que o grafeno) estão sendo propostos e sintetizados todos os dias.

p Esses e outros materiais ainda a serem descobertos serão usados ​​como peças de Lego para construir a eletrônica do futuro. Empilhando vários materiais de maneiras diferentes, podemos tirar proveito de propriedades diferentes em cada um deles. A nova eletrônica construída com essas estruturas combinadas será mais rápida, menor, mais resistente ao meio ambiente e mais barato do que temos agora.

p Procurando por uma lacuna de energia

p Há uma razão fundamental para que o grafeno não seja o material versátil que cura tudo que o hype pode sugerir. Você não pode simplesmente empilhar grafeno repetidamente para obter o que deseja. A propriedade eletrônica que impede isso é a falta do que é chamado de "lacuna de energia". (O termo mais técnico é "intervalo de banda".)

p Os metais conduzem eletricidade através deles, independentemente do ambiente. Contudo, qualquer outro material que não seja um metal precisa de um pequeno impulso de energia de fora para fazer com que os elétrons se movam através do gap e entrem no estado de condução. A quantidade de impulso que o material precisa é chamada de lacuna de energia. A lacuna de energia é um dos fatores que determina quanta energia total precisa ser colocada em todo o seu dispositivo elétrico, do calor ou da tensão elétrica aplicada, para fazê-lo conduzir eletricidade. Essencialmente, você precisa colocar energia inicial suficiente se quiser que seu dispositivo funcione.

p Alguns materiais têm uma lacuna tão grande que quase nenhuma quantidade de energia consegue fazer com que os elétrons fluam através deles. Esses materiais são chamados de isolantes (pense em vidro). Outros materiais têm uma lacuna extremamente pequena ou nenhuma lacuna. Esses materiais são chamados de metais (pense em cobre). É por isso que usamos cobre (um metal com condutividade instantânea) para a fiação, enquanto usamos plásticos (um isolante que bloqueia a eletricidade) como o revestimento externo de proteção.

p Todo o resto, com lacunas entre esses dois extremos, é chamado de semicondutor (pense em silício). Semicondutores, na temperatura teórica de zero absoluto, comportam-se como isolantes porque não têm energia térmica para colocar seus elétrons no estado de condução. Em temperatura ambiente, Contudo, o calor do ambiente circundante fornece energia apenas o suficiente para obter alguns elétrons (daí o termo, "semi" -condutor) sobre o pequeno intervalo de banda e para o estado condutor pronto para conduzir eletricidade.

p Gap de energia do grafeno

p O grafeno é na verdade um semimetal. Não tem lacuna de energia, o que significa que ele sempre conduzirá eletricidade - você não pode desligar sua condutividade.

p Isso é um problema porque os dispositivos eletrônicos usam corrente elétrica para se comunicar. Em seu nível mais fundamental, os computadores se comunicam enviando 1s e 0s - sinais de ativação e desativação. Se os componentes de um computador forem feitos de grafeno, o sistema estaria sempre ligado, em todos os lugares. Ele seria incapaz de realizar tarefas porque sua falta de lacuna de energia impede que o grafeno se torne zero; o computador continuaria lendo 1's o tempo todo. Semicondutores, por contraste, tem uma lacuna de energia pequena o suficiente para permitir que alguns elétrons conduzam eletricidade, mas é grande o suficiente para ter uma distinção clara entre os estados ligado e desligado.

p Encontrar os materiais certos

p Nem toda esperança está perdida, Contudo. Os pesquisadores estão procurando três maneiras principais de lidar com isso:

p Usando novos materiais semelhantes ao grafeno que realmente têm uma lacuna de energia suficiente e encontrando maneiras de melhorar ainda mais sua condutividade. Alterando o próprio grafeno para criar esta lacuna de energia. Combinando grafeno com outros materiais para otimizar suas propriedades combinadas.

p Existem muitos materiais de uma camada atualmente sendo examinados que, na verdade, têm uma lacuna de energia suficiente. Um desses materiais, MoS₂, tem sido estudado nos últimos anos como um substituto potencial para o silício tradicional e também como um detector de luz e sensor de gás.

p A única desvantagem com esses outros materiais é que, até agora, não encontramos nenhum que corresponda à excelente, embora sempre ativa, condutividade do grafeno. Os outros materiais podem ser desligados, mas quando ligado, eles não são tão bons quanto o grafeno. Estima-se que o próprio MoS₂ tenha 1/15 a 1/10 da condutividade do grafeno em dispositivos pequenos. Pesquisadores, incluindo eu, agora estão procurando maneiras de alterar esses materiais para aumentar sua condutividade.

p Usando grafeno como ingrediente

p Estranhamente, uma lacuna de energia no grafeno pode realmente ser induzida por meio de modificações como dobrá-lo, transformando-o em um nanoribão, inserir produtos químicos estranhos nele ou usar duas camadas de grafeno. Mas cada uma dessas modificações pode reduzir a condutividade do grafeno ou limitar como ele pode ser usado.

p Para evitar configurações especializadas, poderíamos simplesmente combinar o grafeno com outros materiais. Fazendo isso, também estamos combinando as propriedades dos materiais para colher os melhores benefícios. Poderíamos, por exemplo, invente novos componentes eletrônicos que tenham um material que permita desligá-los ou ligá-los (como o MoS₂), mas que tenham a grande condutividade do grafeno quando ligados. Novas células solares trabalharão neste conceito.

p Uma estrutura combinada poderia, por exemplo, ser um painel solar feito para ambientes agressivos:poderíamos ter uma camada fina, material de proteção transparente por cima de um material coletor de energia solar muito eficiente, que, por sua vez, pode estar em cima de um material excelente para conduzir eletricidade para uma bateria próxima. Outras camadas intermediárias podem incluir materiais que são bons na detecção seletiva de gases como metano ou dióxido de carbono.

p Os pesquisadores agora estão correndo para descobrir qual é a melhor combinação para diferentes aplicações. Quem encontrar a melhor combinação acabará ganhando inúmeros direitos de patentes para produtos eletrônicos aprimorados.

p A verdade é, no entanto, não sabemos como será a nossa futura eletrônica. Novas peças de Lego estão sendo inventadas o tempo todo; a maneira como os empilhamos ou reorganizamos está mudando constantemente, também. Tudo o que é certo é que o interior dos dispositivos eletrônicos parecerá drasticamente diferente no futuro do que é hoje. p Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.