p Cada camada atômica é fina, resistente a lágrimas, e estável. O grafeno é visto como o material do futuro. É ideal para, por exemplo, produzindo componentes eletrônicos ultraleves ou componentes mecânicos altamente estáveis. Mas as finas camadas de carbono são difíceis de produzir. Na Universidade Técnica de Munique (TUM), Jürgen Kraus fabricou membranas de grafeno autossustentáveis, e ao mesmo tempo investigou sistematicamente e otimizou o crescimento dos cristais de grafeno. Ele recebeu o Prêmio de Pesquisa Evonik por seu trabalho. p O grafeno quebra todos os recordes. É o material mais fino e estável do mundo, ultraleve, à prova de rasgo, electricamente condutora, e altamente resiliente. Desde que foi descoberto em 2004, as estruturas bidimensionais compostas de átomos de carbono alimentaram a imaginação e o espírito inventivo. Os autores de ficção científica consideram o material adequado para a construção de cabos para acionar elevadores espaciais. Os pesquisadores de materiais estão experimentando telas de grafeno, transistores, e eletrodos, que pretendem tornar a eletrônica do futuro mais leve, mais estável, e teve vida mais longa. Na comunidade científica, filmes de grafeno altamente puro são altamente cobiçados, pois permitem que gases e líquidos sejam embalados de maneira ultradensa.

p "Atualmente, Contudo, os requisitos básicos ainda estão faltando. Existem vários processos de fabricação adequados para a produção em massa de grafeno. Contudo, este material não está isento de defeitos. O grafeno da mais alta qualidade cristalina não pode ser reproduzido desta maneira ", explica Sebastian Günther, Professor de Físico-Química no TUM. Sua equipe agora conseguiu analisar, monitoramento, e otimizar o crescimento de cristais de grafeno por meio de deposição química de vapor (CVD para abreviar). As descobertas foram publicadas recentemente no Annalen der Physik ( Anais de Física )

p Teoria e ressalvas na prática

p Teoricamente, é muito fácil produzir grafeno:tudo o que é necessário é um recipiente de vidro aquecido, um reator, em que gás contendo carbono, como metano, é alimentado, bem como cobre como catalisador. Em temperaturas de cerca de 1, 000 graus Celsius, o metano se decompõe na superfície do cobre para produzir hidrogênio e carbono. Enquanto o hidrogênio posteriormente deixa a superfície do cobre, os átomos de carbono se acumulam na superfície do filme de cobre usado durante essa precipitação química do estado gasoso - um processo chamado deposição química de vapor. Aqui, os átomos se ligam e formam "flocos" de grafeno, estruturas bidimensionais semelhantes a pontos com a estrutura típica em favo de mel. O que resta é o hidrogênio, que pode ser extraído por sucção.

p Contudo, na prática, O diabo está nos detalhes. "O maior problema é que a estrutura cristalina bidimensional muitas vezes não é totalmente homogênea, porque o crescimento começa simultaneamente em vários locais ", explica Jürgen Kraus, quem realizou os experimentos. "À primeira vista, parece que um filme contínuo de grafeno está aparecendo no cobre, mas os favos de mel hexagonais não são todos orientados da mesma maneira, e a estrutura é enfraquecida nos locais onde eles se encontram. "

p Esses defeitos podem ser evitados garantindo-se que a superfície do cobre esteja o mais livre possível de núcleos de cristalização.

p Com seus experimentos, o químico foi capaz de demonstrar que os contaminantes podem ser melhor removidos com a ajuda de gás oxigênio - ou seja, através da oxidação. Contudo, para evitar efeitos colaterais indesejáveis, deve-se ter cuidado para garantir que o catalisador de cobre seja exposto apenas às quantidades mínimas possíveis de oxigênio.

p Crucial para o sucesso:concentração de gás e temperatura

p Na segunda parte de seus experimentos, Kraus analisou como várias pressões e temperaturas parciais afetam a formação de grafeno durante a deposição de vapor químico. Se a composição do gás usada contiver muito hidrogênio, nenhum grafeno cresce; se tiver pouco hidrogênio, as camadas ficam muito grossas. É apenas quando todos os parâmetros são selecionados de forma que o crescimento ocorre "perto o suficiente" do equilíbrio térmico que o grafeno altamente puro sem defeitos é formado em uma rede cristalina.

p Verificação de qualidade na Itália

p Para verificar a qualidade dos flocos, os pesquisadores baseados em Munique fizeram uma viagem à Itália com suas amostras. No Centro de Pesquisas Elettra Sincrotrone Trieste, que é equipado com um acelerador de partículas em forma de anel, eles foram capazes de caracterizar química e estruturalmente as camadas de grafeno com um microscópio especial, que tinha uma alta resolução graças à radiação síncrotron de alta energia.

p "Os resultados do estudo de viabilidade foram altamente encorajadores", relatórios Günther. "As imagens mostraram que resultados reproduzíveis podem ser obtidos selecionando os parâmetros durante a deposição de vapor químico"

p O melhor registro dos pesquisadores do TUM para qualidade até agora:flocos de grafeno medindo um milímetro quadrado contendo dez bilhões de átomos de carbono precisamente alinhados. "A vantagem sobre outros estudos não é tanto o 'tamanho do recorde' alcançado, mas reside no fato de que os flocos são formados com uma taxa de crescimento previsível se os parâmetros CVD corretos forem escolhidos, permitindo assim fechado, camadas de grafeno altamente cristalinas com uma espessura de apenas um átomo a serem fabricadas em apenas algumas horas ", resume Günther.

p Mini filmes para novas aplicações

p O grafeno abre uma ampla gama de novas aplicações, acima de tudo na pesquisa básica:por um lado, as películas de grafeno ultrafinas podem, e. ser removidos do substrato de cobre e usados ​​como filmes de cobertura. Esses filmes são adequados para reter líquidos em um recipiente. Como os filmes são transparentes para retardar os elétrons, as amostras podem ser estudadas por meio de espectroscopia eletrônica e microscopia, mesmo que essas técnicas sejam normalmente usadas em vácuos ultra-altos ou altos.

p Com a ajuda dos filmes, os pesquisadores também pretendem investigar células vivas, eletrodos revestidos com líquido e catalisadores sob alta pressão via espectroscopia de fotoelétrons no futuro. Nesse processo, fótons, que são capazes de penetrar no filme, transferir sua energia para os elétrons na amostra, de modo que são liberados e passam pelo filme para o exterior. Seus níveis de energia podem então ser usados ​​para tirar conclusões sobre a composição química da amostra.