p Em um dia normal no laboratório, Eva Andrei não esperava fazer uma grande descoberta. Andrei, um professor de física na Rutgers University, estava usando grafite - o material do lápis - para calibrar um microscópio de tunelamento de varredura. Como parte do processo, ela ativou um campo magnético muito poderoso. Quando ela olhou para cima para ver o espectro eletrônico do material, ela estava surpresa. "Vimos enormes, belos picos lá em cima, simplesmente incrível. E eles não faziam nenhum sentido, "ela lembrou. p Lembrando de uma palestra que ela assistiu recentemente, ela percebeu que o grafite havia se separado em folhas com apenas um átomo de espessura. Este material, conhecido como grafeno, tem propriedades eletrônicas bizarras. Mas mesmo para o grafeno, o espectro que ela viu era estranho. Na verdade, ninguém nunca tinha visto nada parecido antes. Como Andrei descreveu, sua colega "enlouqueceu no corredor e apenas gritou 'Grafeno!'" Andrei fizera uma descoberta fortuita - um novo fenômeno elétrico.

p Esta não foi a primeira nem a última vez que o movimento dos elétrons no grafeno surpreendeu e entusiasmou os cientistas. Uma das coisas mais impressionantes sobre o grafeno é a velocidade com que os elétrons se movem através dele. Eles viajam por ele mais de 100 vezes mais rápido do que através do silício usado para fazer chips de computador. Em teoria, isso sugere que os fabricantes podem usar o grafeno para fazer transistores super rápidos para mais rápido, mais fino, telas sensíveis ao toque mais poderosas, eletrônicos, e células solares.

p Mas o que torna o grafeno tão incrível também dificulta seu uso:os elétrons fluem por sua estrutura em colmeia com muita facilidade. Ao contrário do silício, grafeno carece de um bandgap. Bandgaps são a quantidade de energia que um elétron deve ganhar para se libertar de um átomo e se mover para outros átomos para conduzir uma corrente. Como um pedágio em uma rodovia, os elétrons precisam "pagar" com energia para prosseguir. Dispositivos eletrônicos usam bandgaps como portas para controlar onde e quando os elétrons fluem. Faltando bandgaps, A estrutura do grafeno atua como uma superestrada de elétrons sem sinais de parada.

p "Os elétrons do grafeno são tão selvagens e não podem ser domados; é difícil criar uma lacuna, "disse Andrei.

p Essa falta de bandgap torna o grafeno atualmente muito difícil de usar na eletrônica moderna. Pesquisadores apoiados pelo Office of Science do Departamento de Energia (DOE) estão investigando maneiras de superar este desafio e outros para direcionar o tráfego de elétrons do grafeno.

p Elétrons se comportando como partículas de luz

p Materiais com apenas alguns átomos de espessura agem de maneira fundamentalmente diferente do que grandes quantidades do mesmo material.

p "O maior desafio é ter uma compreensão confiável das propriedades dos materiais, "disse Lilia Woods, professor de física da University of South Florida.

p Mesmo para um material tão plano, o grafeno tem algumas características estranhas. Na maioria dos materiais, os elétrons se movem em velocidades diferentes. Mas no grafeno, todos eles se movem na mesma velocidade. Na verdade, os elétrons no grafeno agem como se não tivessem partículas de luz semelhantes a massa. Essa é uma das razões pelas quais os elétrons se movem tão rápido e são tão difíceis de controlar.

p Direcionando o tráfego de elétrons

p Estudar o comportamento do grafeno é uma coisa. Descobrir como manipulá-lo é outra. Os cientistas têm buscado várias maneiras diferentes de controlar os elétrons no grafeno:desenvolver nanofitas, esticando-o, emparelhar com nitreto de boro (outro material de altura de átomo), e aplicar cargas elétricas a espaços vazios nele. Os cientistas buscam várias abordagens porque não sabem qual funcionará melhor. Enquanto isso, cada abordagem fornece sua própria visão única das propriedades básicas do grafeno.

p Nanoribbons de grafeno

p Produzir nanofitas de grafeno é uma maneira de fazer um material que já é inimaginavelmente fino, ainda mais magro. Essas fitas mantêm muitas das características positivas do grafeno, enquanto potencialmente dão aos cientistas um melhor controle sobre como os elétrons se comportam, incluindo a criação de bandgaps.

p "Você pode ver essas pequenas fitas como elementos de circuito eletrônico, "disse Michael Crommie, um físico do Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE (Berkeley Lab).

p A investigação das nanofitas começou antes mesmo dos cientistas entrarem no laboratório. Com base em cálculos, os físicos teorizaram há mais de uma década que as nanofitas poderiam oferecer novas maneiras de manipular as propriedades eletrônicas do grafeno. Experimentalistas confirmaram essa ideia desenvolvendo nanofitas com bordas limpas.

p Por exemplo, pesquisadores da Universidade de Wisconsin e de outros lugares desenvolveram nanofitas de grafeno que exibiam um gap. Eles mostraram que quando a largura de uma nanofita é menor que três nanômetros, sobre a espessura de uma fita de DNA, ele desenvolve um gap significativo. Ele também se torna um semicondutor. Ao contrário da superestrada de elétrons do grafeno, semicondutores podem alternar entre a condução de eletricidade ou não. Quanto mais estreita a fita, quanto maior a lacuna ou o "pedágio de energia" de que os elétrons precisam.

p Mas um desafio é como fazer uma única nanofita que tenha várias larguras e, portanto, regiões com diferentes bandgaps. Nanofitas de uma única largura não darão aos cientistas o nível de controle necessário para projetar circuitos complexos. Para resolver este problema, Os cientistas do Berkeley Lab fundiram segmentos de fita com larguras diferentes. Esta "engenharia de bandgap" é essencial para a fabricação de dispositivos semicondutores e um grande passo em direção ao uso de grafeno em circuitos.

p Essas nanofitas não podem ser usadas sozinhas, portanto, os cientistas estão investigando como as nanofitas interagem com diferentes superfícies. Pesquisadores da University of South Florida estudaram nanofitas de grafeno em substratos de carboneto de silício (SiC). Eles descobriram que a forma como certas bordas das nanofitas se fixam ao substrato de SiC influenciam o bandgap. Nanofitas com larguras e bordas diferentes ancoradas em substratos diferentes podem permitir aos cientistas mais controle sobre as propriedades do elétron do que as nanofitas que não estão ancoradas de forma alguma.

p Alongamento de grafeno

p O alongamento do grafeno oferece um caminho alternativo para controlar suas propriedades. Quando os cientistas esticam o grafeno de uma maneira específica, ele forma pequenas bolhas nas quais os elétrons agem como se estivessem realmente em um campo magnético muito poderoso. Essas bolhas fornecem aos cientistas novas oportunidades para manipular o tráfego de elétrons no grafeno.

p Esta descoberta também foi um acidente completo. Uma equipe do Berkeley Lab começou a cultivar uma camada de grafeno na superfície de um cristal de platina em uma câmara de vácuo. Enquanto os pesquisadores testavam o grafeno, eles notaram que seus elétrons estavam agindo de maneira estranha. Em vez de se mover como normalmente fazem em um continuum suave, os elétrons nas nanobolhas de grafeno se agruparam em energias muito específicas. Quando os pesquisadores compararam seus resultados com o que a teoria sugeria, eles descobriram que os elétrons se comportavam como se estivessem em um campo magnético ultraforte. Contudo, não havia nenhum campo magnético real presente.

p Com grafeno, "muitas vezes estamos perseguindo uma coisa e encontramos algo completamente inesperado, "Disse Crommie.

p Emparelhamento com nitreto de boro

p Quando os cientistas exploraram pela primeira vez as propriedades do grafeno, eles o colocaram em cima do dióxido de silício. Como o dióxido de silício é um isolante comum para aplicações eletrônicas, parecia uma combinação ideal. Contudo, o grafeno não estava atingindo todo o seu potencial.

p James Hone, um professor de engenharia mecânica da Universidade de Columbia, lembrou de pensar, "Existe um material em camadas como o grafeno que se encaixaria naturalmente?"

p A equipe de Hone acabou descobrindo que o grafeno funciona muito melhor quando adicionado ao nitreto de boro. Como o grafeno, o nitreto de boro pode ter apenas alguns átomos de espessura e tem a mesma estrutura em favo de mel. Contudo, é um isolante que impede que os elétrons se movam através dele.

p Eles descobriram que colocar nitreto de boro e grafeno juntos pode produzir um novo material cujas propriedades são muito flexíveis. Essa combinação é tão promissora que Alex Zettl, do Berkeley Lab, brincou que seu laboratório agora é "Boron Nitride R Us". Ele comentou, "Ter o nitreto de boro influenciando o grafeno é uma ferramenta muito poderosa."

p A luz comum pode oferecer uma maneira de influenciar os elétrons neste novo material composto. Os cientistas do Berkeley Lab descobriram que podem usar a luz de uma lâmpada simples para criar um dispositivo semicondutor essencial chamado "junção p-n". As junções P-n têm um lado positivo e sem elétrons e outro lado negativo com elétrons extras. Projetando cuidadosamente essas junções, os engenheiros podem controlar como e quando os elétrons se movem entre os dois lados de um material. Eles são como os portões que sobem e descem em uma cabine de pedágio.

p Os cientistas perceberam que se pudessem consertar, cargas estáticas no nitreto de boro de uma forma específica, eles poderiam gerar uma junção p-n no grafeno próximo. Para criar a junção p-n, os cientistas primeiro prepararam a rodovia do grafeno para ter um excesso de elétrons, ou ser uma região do tipo n. Então, iluminando o nitreto de boro subjacente, eles criaram um buraco, ou região tipo p, no grafeno. Assim, com um pulso de luz e o nitreto de boro como mediador, eles poderiam "escrever" junções p-n - portagens de pedágio - no grafeno conforme necessário.

p Mesmo depois que os cientistas desligaram a luz, a ativação do nitreto de boro e sua influência no tráfego de elétrons no grafeno próximo, permaneceu no local por dias. Os cientistas também descobriram que poderiam apagar e recriar essas junções, o que pode ser importante para o projeto de dispositivos eletrônicos.

p Agora os pesquisadores estão usando microscópios de tunelamento, que usam pontas do tamanho de nanômetros para conduzir eletricidade, para fazer a mesma coisa com mais precisão.

p Carregando espaços vazios em grafeno

p Por causa de sua estrutura única, o grafeno permanece estável mesmo quando os cientistas fazem furos nele. A equipe de Andrei da Universidade Rutgers aproveitou esse fato para criar um "átomo artificial" que influencia os elétrons próximos na parte não danificada do grafeno. Primeiro, pesquisadores injetaram hélio no grafeno em um substrato, eliminando um único átomo de carbono. Eles então usaram um microscópio de tunelamento de varredura para aplicar uma carga positiva ao substrato sob o espaço vazio onde o átomo ausente costumava ficar. Como um átomo real, essa carga positiva influenciou as órbitas dos elétrons no grafeno circundante. A criação desses átomos artificiais poderia ser outra maneira que dispositivos futuros poderiam controlar o fluxo de elétrons no grafeno.

p O Futuro do Grafeno

p Talvez a mais surpreendente dessas voltas e reviravoltas seja que o futuro pode não estar no grafeno. Enquanto os cientistas investigavam as propriedades eletrônicas exclusivas do grafeno, eles descobriram novos materiais extremamente finos feitos de outros elementos além do carbono. Se um material tiver apenas alguns átomos de espessura e tiver uma estrutura em favo de mel, pode demonstrar muitas das propriedades eletrônicas do grafeno. Na verdade, cientistas encontraram materiais feitos de silício, germânio, e estanho, que atuam de forma muito semelhante ao grafeno. Usar esses materiais isoladamente ou em combinação com o grafeno pode oferecer características melhores do que o grafeno sozinho.

p Enquanto isso, os cientistas continuarão a investigar as características estranhas desse material freqüentemente surpreendente. Como Philip Kim, um professor de física da Universidade de Harvard disse:"[Grafeno] sempre fornece alguma novidade, ciência emocionante que não esperávamos. "