p Uma equipe internacional de cientistas desenvolveu uma nova maneira de produzir grafeno de camada única a partir de um simples precursor:eteno - também conhecido como etileno - a menor molécula de alceno, que contém apenas dois átomos de carbono. p Ao aquecer o eteno em estágios a uma temperatura de pouco mais de 700 graus Celsius - mais quente do que havia sido tentado antes - os pesquisadores produziram camadas puras de grafeno em um substrato de catalisador de ródio. O aquecimento gradual e a temperatura mais alta superaram os desafios vistos nos esforços anteriores para produzir grafeno diretamente a partir de precursores de hidrocarbonetos.

p Por causa de seu baixo custo e simplicidade, a técnica pode abrir novas aplicações potenciais para o grafeno, que tem propriedades físicas e eletrônicas atraentes. O trabalho também fornece um novo mecanismo para a auto-evolução dos precursores do cluster de carbono, cuja coalescência difusional resulta na formação das camadas de grafeno.

p A pesquisa, relatado como artigo de capa na edição de 4 de maio da Journal of Physical Chemistry C , foi conduzido por cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia, Technische Universität München na Alemanha, e a Universidade de St. Andrews na Escócia. Nos Estados Unidos, a pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos Estados Unidos e pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

p "Como o grafeno é feito de carbono, decidimos começar com o tipo mais simples de moléculas de carbono e ver se poderíamos montá-las em grafeno, "explicou Uzi Landman, um professor da Regents e F.E. Callaway dotado de cadeira na Georgia Tech School of Physics que chefiou o componente teórico da pesquisa. "A partir de pequenas moléculas contendo carbono, você acaba com pedaços macroscópicos de grafeno. "

p O grafeno é agora produzido usando uma variedade de métodos, incluindo deposição química de vapor, evaporação de silício de carboneto de silício - e esfoliação simples de folhas de grafeno de grafite. Uma série de esforços anteriores para produzir grafeno a partir de precursores de hidrocarbonetos simples se mostraram amplamente malsucedidos, criando fuligem desordenada em vez de grafeno estruturado.

p Orientado por uma abordagem teórica, os pesquisadores raciocinaram que o caminho do eteno ao grafeno envolveria a formação de uma série de estruturas à medida que os átomos de hidrogênio deixam as moléculas de eteno e os átomos de carbono se automontam no padrão de colmeia que caracteriza o grafeno. Para explorar a natureza das transformações catalisadas por superfície de ródio induzidas termicamente de eteno em grafeno, grupos experimentais na Alemanha e na Escócia aumentaram a temperatura do material em etapas sob ultra-alto vácuo. Eles usaram microscopia de tunelamento de varredura (STM), dessorção térmica programada (TPD) e espectroscopia de perda de energia de elétrons de alta resolução (vibracional) (HREELS) para observar e caracterizar as estruturas que se formam em cada etapa do processo.

p Após o aquecimento, o eteno adsorvido no catalisador de ródio evolui por meio de reações de acoplamento para formar hidrocarbonetos poliaromáticos segmentados unidimensionais (1D-PAH). Aquecimento adicional leva ao cruzamento de dimensionalidade - estruturas unidimensionais para bidimensionais - e processos de reestruturação dinâmica nas extremidades da cadeia de PAH com um destacamento subsequente ativado de aglomerados de carbono com seleção de tamanho, seguindo um mecanismo revelado por meio de simulações de mecânica quântica de primeiros princípios. Finalmente, a coalescência difusional de limitação de taxa desses precursores de aglomerados auto-evoluídos dinamicamente leva à condensação em grafeno com alta pureza.

p Na fase final antes da formação do grafeno, os pesquisadores observaram aglomerados semelhantes a discos redondos contendo 24 átomos de carbono, que se espalhou para formar a rede de grafeno. "A temperatura deve ser aumentada dentro das janelas de faixas de temperatura para permitir que as estruturas necessárias se formem antes do próximo estágio de aquecimento, "Landman explicou." Se você parar em certas temperaturas, é provável que você acabe com coque. "

p Um componente importante é o processo de desidrogenação que libera os átomos de carbono para formar formas intermediárias, mas parte do hidrogênio reside temporariamente em, ou perto, a superfície do catalisador de metal e auxilia no processo de quebra de ligação subsequente que leva ao desprendimento dos precursores do cluster de 24 carbonos. "Ao longo do caminho, há uma perda de hidrogênio dos aglomerados, "disse Landman." Aumentar a temperatura essencialmente 'ferve' o hidrogênio da estrutura de carbono sustentada por metal em evolução, culminando no grafeno. "

p A estrutura de grafeno resultante é adsorvida ao catalisador. Pode ser útil anexado ao metal, mas para outras aplicações, uma maneira de removê-lo terá que ser desenvolvida. Landman adicionado:"Esta é uma nova rota para o grafeno, e a possível aplicação tecnológica ainda não foi explorada. "