p Um colaborador internacional de pesquisadores usou simulações de computador para encontrar a espessura mínima de uma placa de sal para que ela se dividisse em camadas semelhantes ao grafeno. Com base na simulação de computador, eles derivaram a equação para o número de camadas em um cristal que produzirá filmes ultrafinos com aplicações em nanoeletrônica. Suas descobertas foram em The Journal of Physical Chemistry Letters . p De 3-D a 2D

p A espessura monoatômica única do grafeno torna-o um material atraente e útil. Sua estrutura de cristal se assemelha a um favo de mel, como as ligações entre os átomos constituintes formam hexágonos regulares. O grafeno é uma única camada de um cristal de grafite tridimensional e suas propriedades (bem como as propriedades de qualquer cristal 2D) são radicalmente diferentes de sua contraparte 3-D. Desde a descoberta do grafeno, uma grande quantidade de pesquisas foi direcionada a novos materiais bidimensionais com propriedades intrigantes. Filmes ultrafinos têm propriedades incomuns que podem ser úteis para aplicações como nano e microeletrônica.

p Estudos teóricos anteriores sugeriram que filmes com uma estrutura cúbica e ligação iônica poderiam se converter espontaneamente em uma estrutura grafítica hexagonal em camadas no que é conhecido como grafite. Para algumas substâncias, esta conversão foi observada experimentalmente. Foi previsto que o sal-gema NaCl poderia ser um composto com tendências de grafite. A grafite de compostos cúbicos pode produzir estruturas novas e promissoras para aplicações em nanoeletrônica. Contudo, nenhuma teoria deu conta desse processo com um composto cúbico arbitrário ou fez previsões sobre sua conversão em camadas de sal semelhantes ao grafeno.

p Para que a grafitização ocorra, as camadas de cristal precisam ser reduzidas ao longo da diagonal principal da estrutura cúbica. Isso resultaria em uma superfície de cristal sendo feita de íons de sódio e a outra de íons de cloreto. É importante notar que íons positivos e negativos - e não átomos neutros - ocupam os pontos da rede da estrutura. Isso gera cargas de sinais opostos nas duas superfícies. Enquanto as superfícies estiverem distantes umas das outras, todas as cobranças são canceladas, e a placa de sal mostra preferência por uma estrutura cúbica. Contudo, um filme suficientemente fino dá origem a um grande momento de dipolo devido às cargas opostas das duas superfícies de cristal. A estrutura busca se livrar do momento de dipolo, o que aumenta a energia do sistema. Para tornar as superfícies neutras em carga, o cristal sofre um rearranjo de átomos.

p Experiência vs modelo

p Para estudar como as tendências de grafitização variam dependendo do composto, os pesquisadores examinaram 16 compostos binários com a fórmula geral AB, onde A representa um dos quatro metais alcalinos de lítio Li, sódio Na, potássio K, e rubídio Rb. Esses são elementos altamente reativos encontrados no Grupo 1 da tabela periódica. O B na fórmula representa qualquer um dos quatro halogênios flúor F, cloro Cl, bromo Br, e iodo I. Esses elementos estão no Grupo 17 da tabela periódica e reagem prontamente com os metais alcalinos.

p Todos os compostos neste estudo vêm em uma série de estruturas, também conhecido como redes ou fases cristalinas. Se a pressão atmosférica for aumentada para 300, 000 vezes seu valor normal, outra fase (B2) de NaCl (representada pela parte amarela do diagrama) torna-se mais estável, efetuando uma mudança na estrutura cristalina. Para testar sua escolha de métodos e parâmetros, os pesquisadores simularam duas redes cristalinas e calcularam a pressão que corresponde à transição de fase entre elas. Suas previsões concordam com os dados experimentais.

p Quão fino deveria ser?

p Os compostos dentro do escopo deste estudo podem ter um hexagonal, fase G "grafítica" (o vermelho no diagrama) que é instável no volume 3-D, mas se torna a estrutura mais estável para filmes ultrafinos (2-D ou quase 2-D). Os pesquisadores identificaram a relação entre a energia da superfície de um filme e o número de camadas nele para estruturas cúbicas e hexagonais. Eles representaram graficamente essa relação, traçando duas linhas com inclinações diferentes para cada um dos compostos estudados. Cada par de linhas associado a um composto tem um ponto comum que corresponde à espessura crítica da laje que torna a conversão de uma estrutura cúbica em hexagonal energeticamente favorável. Por exemplo, o número crítico de camadas foi encontrado perto de 11 para todos os sais de sódio e entre 19 e 27 para os sais de lítio.

p Com base nesses dados, os pesquisadores estabeleceram uma relação entre o número crítico de camadas e dois parâmetros que determinam a força das ligações iônicas em vários compostos. O primeiro parâmetro indica o tamanho de um íon de um determinado metal - seu raio iônico. O segundo parâmetro é chamado de eletronegatividade e é uma medida da capacidade do átomo de atrair os elétrons do elemento B. Eletronegatividade mais alta significa atração mais poderosa de elétrons pelo átomo, uma natureza iônica mais pronunciada da ligação, um dipolo de superfície maior, e menor espessura crítica da laje.

p Pavel Sorokin, chefe do Laboratório de Simulação de Novos Materiais da TISNCM diz:“Este trabalho já atraiu nossos colegas de Israel e do Japão. Se eles confirmarem nossas descobertas experimentalmente, este fenômeno [de grafitização] fornecerá uma rota viável para a síntese de filmes ultrafinos com aplicações potenciais em nanoeletrônica. "

p Os cientistas pretendem ampliar o escopo de seus estudos examinando outros compostos. Eles acreditam que filmes ultrafinos de composição diferente também podem sofrer grafites espontâneas, produzindo novas estruturas em camadas com propriedades ainda mais intrigantes.