Pesquisadores da Penn State, o Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia e a Lockheed Martin Space Systems Company desenvolveram métodos para controlar defeitos em materiais bidimensionais, como o grafeno, que pode levar a membranas melhores para a dessalinização de água, armazenamento de energia, detecção ou revestimentos de proteção avançados.

Para um bidimensional, material de um átomo de espessura como o grafeno, defeitos como pequenas rachaduras ou buracos podem fazer uma grande diferença no desempenho. Usualmente, esses defeitos são considerados indesejáveis. Mas se os defeitos podem ser controlados, eles podem ser usados ​​para criar novos, propriedades desejáveis ​​no material.

"Contanto que você possa controlar os defeitos, você pode ser capaz de sintetizar em qualquer resposta que o grafeno lhe dará, "diz Adri van Duin, autor correspondente em um artigo recente no jornal da American Chemical Society ACS Nano . "Mas isso exige que você tenha um controle muito bom sobre a estrutura e o comportamento dos defeitos. O que fizemos aqui é um passo muito forte nesse sentido."

van Duin é o co-inventor e principal desenvolvedor de uma modelagem matemática e técnica de simulação chamada ReaxFF, que é capaz de prever as interações de milhares de átomos quando eles são perturbados por uma força externa, neste caso, o bombardeio do grafeno por átomos de um gás nobre.

Os gases nobres, que incluem hélio, néon, argônio, criptônio e xenônio, são freqüentemente usados ​​para criar defeitos no grafeno com o propósito de melhorar suas propriedades. Ao eliminar um ou mais átomos de carbono dos hexágonos interligados do grafeno, uma estrutura que lembra uma rede de galinheiro, o buraco resultante pode ser preenchido por átomos de outro material ou molécula em um processo chamado dopagem. O doping pode alterar as propriedades químicas ou elétricas do grafeno, para, por exemplo, permitir que as moléculas de água fluam enquanto rejeita as partículas de sal.

"Fizemos uma série de simulações em escala atomística em que aceleramos íons de gases nobres para o grafeno. As simulações forneceram praticamente os mesmos padrões de defeitos dos experimentos, "van Duin diz." Isso significa que nossas simulações podem dizer ao experimentalista qual dose de átomos em que aceleração eles precisam para obter esses tipos de defeitos. "

Como os defeitos podem se transformar em diferentes formas ou se mover nos segundos após a criação, seu grupo também simula colocar o grafeno em um forno e aquecê-lo em alta temperatura, chamado recozimento, para estabilizar a estrutura.

É incomum que uma simulação atomística corresponda ao mesmo tamanho, tempo e faixa de exposição como um experimento, devido ao custo computacional de fazer interações entre milhares de átomos ao longo da escala de tempo necessária para estabilizar um material, van Duin diz. O método de campo de força reativa (ReaxFF), desenvolvido por van Duin e William A. Goddard da CalTech, é capaz de modelar interações químicas e físicas em moléculas e materiais à medida que as ligações entre átomos se formam e se rompem.

Kichul Yoon, o autor principal do artigo e um estudante graduado do grupo de van Duin, diz, "Este estudo fornece uma visão sobre os detalhes da escala atomística da irradiação de grafeno e é uma etapa preliminar no projeto de materiais de carbono funcionalizados em duas dimensões."

van Duin acrescenta, "É claro que não há nada que torne isso exclusivo do grafeno. Qualquer material 2D pode ser tratado com as mesmas simulações. Qualquer pessoa que queira dopar um material 2D ou compreender defeitos se interessará por essas simulações."

Os pesquisadores pretendem continuar trabalhando com a Lockheed Martin em aplicações aeroespaciais e também buscarão o objetivo de dessalinização de água à base de grafeno. Jacob Swett, da Lockheed Martin, preparou as amostras usadas nos experimentos e foi crucial para levar o projeto adiante.

Para correlacionar simulações com experimentos, os pesquisadores contaram com o Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), um DOE Office of Science User Facility em ORNL, para criar defeitos usando bombardeio de íons e, posteriormente, caracterizar esses defeitos usando imagens de resolução atômica. "No CNMS, temos feixe de íons de hélio e néon de última geração e instrumentos de microscopia eletrônica de transmissão de varredura com correção de aberração que permitem a caracterização em escala atomística, "diz Raymond Unocic, um cientista da equipe de P&D no Oak Ridge National Laboratory.