Os materiais mais finos que podem ser produzidos hoje têm a espessura de um único átomo. Esses materiais - conhecidos como materiais bidimensionais - exibem propriedades que são muito diferentes em comparação com suas contrapartes tridimensionais em massa. Até recentemente, Os materiais 2-D foram produzidos e manipulados como filmes na superfície de algum substrato 3-D adequado. Trabalhando em colaboração com uma equipe do Leibniz Institute for New Materials, um grupo de físicos da Universidade Saarland, liderado pelo professor Uwe Hartmann, pela primeira vez conseguiu caracterizar as propriedades mecânicas de membranas de grafeno independentes de um átomo de espessura. As medidas foram realizadas em microscopia de tunelamento de varredura (STM). Os pesquisadores publicaram seus resultados na revista especializada Nanoescala .

Os materiais bidimensionais são conhecidos há apenas alguns anos. Em 2010, os cientistas André Geim e Konstantin Novoselov receberam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho de pesquisa sobre o material grafeno - um alótropo bidimensional de carbono puro. Após essa descoberta, vários outros materiais 2-D feitos de silício ou germânio foram produzidos e caracterizados. "A característica especial desses materiais é que eles têm apenas um átomo de espessura - são praticamente todos superficiais, "explica o professor Uwe Hartmann, um físico experimental na Universidade de Saarland. Como resultado, eles possuem propriedades físicas que são totalmente diferentes de seus parentes tridimensionais mais convencionais.

“As propriedades eletrônicas de algumas configurações do grafeno são espetaculares. Os elétrons no interior do material são relativísticos, ou seja, eles obedecem às leis da teoria da relatividade, o que certamente não é o caso dos elétrons em materiais convencionais. Isso sugere uma série de vantagens interessantes para componentes eletrônicos fabricados a partir de materiais bidimensionais, "diz Hartmann. As propriedades mecânicas desses materiais 2-D também são únicas. De acordo com Hartmann:" Algumas configurações desses materiais bidimensionais exibem um grau de estabilidade mecânica que é - em relação à espessura do material - muito maior que que se vê nos materiais tridimensionais mais estáveis. "Para explorar esse potencial, a UE estabeleceu o seu projeto emblemático Graphene em 2013. Com um orçamento de pesquisa de € 1 bilhão, é até o momento a maior iniciativa de pesquisa da UE.

Contudo, as informações sobre as propriedades mecânicas desses novos materiais foram derivadas de simulações até agora. "Até agora, trabalhar com materiais bidimensionais significa trabalhar com filmes ultrafinos na superfície de um substrato tridimensional adequado. Como resultado, as propriedades do sistema geral são inevitavelmente determinadas pelo material tridimensional, "explica Hartmann. Trabalhando em colaboração com o Instituto Leibniz de Novos Materiais (INM), que também está localizado no campus Saarbrücken, A equipe de pesquisa de Hartmann no Departamento de Nanoestrutura e Nanotecnologia pela primeira vez conseguiu medir diretamente as propriedades mecânicas de um sistema autônomo, membrana de camada de átomo único do grafeno alótropo de carbono.

"Agora estamos em uma posição de comparar diretamente os dados dos cálculos do modelo com nossas descobertas experimentais. Além disso, agora podemos medir como diferentes defeitos na estrutura cristalina da membrana afetam suas propriedades mecânicas, "diz o professor Hartmann. Esses materiais bidimensionais são uma promessa significativa de desenvolvimentos inovadores em uma variedade de setores tecnológicos, de sensores e atuadores a sistemas de filtragem e células de combustível. Os resultados e métodos desenvolvidos pela equipe em Saarbrücken são, portanto, de grande interesse em vários campos de pesquisa.

Os cientistas em Saarbrücken usaram uma monocamada de grafeno apoiada em um substrato com uma série regular de orifícios circulares. Hartmann explica a configuração da seguinte forma:"Os orifícios tinham um diâmetro de cerca de um micrômetro. Usando um microscópio de tunelamento de varredura (STM), fomos capazes de analisar a membrana autônoma acima dos orifícios com precisão atômica."

"Quando uma voltagem elétrica é aplicada entre a ponta do STM e a membrana de grafeno com um único átomo de espessura, uma corrente elétrica flui, "explica Hartmann. Esta corrente, que é conhecido como "corrente de túnel", é muito sensível à distância entre a ponta do microscópio e a amostra de membrana e à distribuição de elétrons no filme de grafeno. "Usamos este efeito para tornar os átomos individuais visíveis. A corrente de tunelamento varia enquanto a ponta do STM é escaneada sobre o material." Mas os pesquisadores também fazem uso de outro efeito. Quando uma tensão é aplicada entre a ponta do STM e a amostra, uma força atua na membrana autônoma de grafeno e ela começa a se projetar em direção à ponta. "À medida que a gorjeta é retirada, a monocamada atomicamente fina se projeta ainda mais, já que está efetivamente sendo levantado por pinças atomicamente precisas. Medir a deflexão da membrana como uma função da força de tração eletrostática gerada pelo STM produz um diagrama tensão-deformação que nos fornece as principais propriedades mecânicas da membrana de grafeno, "explica Hartmann.

"Ao registrar esses diagramas experimentais de tensão-deformação, pudemos verificar diretamente as extraordinárias propriedades mecânicas que até agora foram presumidas para esses materiais. E fomos capazes de fazer isso usando forças da ordem de um bilionésimo de Newton - agora, muito menor do que qualquer força usada em uma medição mecânica convencional, "diz Hartmann. Os pesquisadores também foram capazes de mostrar que, quando uma força foi aplicada a uma membrana independente de grafeno, a membrana não se comportava como a pele lisa de um túmulo, mas parecia muito mais com a superfície ondulada de um lago. As membranas exibem uma gama de movimentos ondulatórios e respondem a qualquer perturbação externa, gerando novas ondulações na superfície da membrana. "