Hematene, criado por uma equipe liderada pela Rice University, é o primeiro material bidimensional não van der Waals conhecido. A imagem do elétron de transmissão mostra uma única folha de hemateno. A barra de escala é igual a 0,5 mícron. Crédito:Shyam Sinha e Peter van Aken / Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido, Stuttgart, Alemanha
Na esteira de sua recente descoberta de uma forma plana de gálio, uma equipe internacional liderada por cientistas da Rice University criou outro material bidimensional que, segundo os pesquisadores, pode ser um divisor de águas para a geração de combustível solar. O cientista de materiais de arroz Pulickel Ajayan e seus colegas extraíram hemateno de 3 átomos de espessura do minério de ferro comum. A pesquisa foi apresentada em um artigo hoje em Nature Nanotechnology .
Hemateno pode ser um fotocatalisador eficiente, especialmente para dividir a água em hidrogênio e oxigênio, e também pode servir como um material magnético ultrafino para dispositivos baseados em spintrônica, disseram os pesquisadores.
"O magnetismo 2D está se tornando um campo muito interessante com os avanços recentes na síntese de tais materiais, mas as técnicas de síntese são complexas e a estabilidade dos materiais é limitada, "Ajayan disse." Aqui, temos um simples, método escalável, e a estrutura do hemateno deve ser ambientalmente estável. "
O laboratório de Ajayan trabalhou com pesquisadores da Universidade de Houston e na Índia, Brasil, Alemanha e outros lugares para esfoliar o material da hematita natural usando uma combinação de sonicação, centrifugação e filtração assistida por vácuo.
A hematita já era conhecida por ter propriedades fotocatalíticas, mas eles não são bons o suficiente para serem úteis, disseram os pesquisadores.
"Para que um material seja um fotocatalisador eficiente, deve absorver a parte visível da luz solar, gerar cargas elétricas e transportá-las para a superfície do material para realizar a reação desejada, "disse Oomman Varghese, um co-autor e professor associado de física da Universidade de Houston.
Um esquema mostra o arranjo atômico de átomos de ferro (azul) e oxigênio (branco) em hemateno, um material bidimensional que foi esfoliado de hematita pela primeira vez por cientistas da Rice University e seus parceiros internacionais. Crédito:Cristiano Woellner e Douglas Galvão / Universidade Estadual de Campinas, Brasil
"A hematita absorve a luz do sol do ultravioleta para a região amarelo-laranja, mas as cargas produzidas duram muito pouco. Como resultado, eles se extinguem antes de chegarem à superfície, " ele disse.
A fotocatálise de hemateno é mais eficiente porque os fótons geram cargas negativas e positivas dentro de alguns átomos da superfície, disseram os pesquisadores. Ao emparelhar o novo material com matrizes de nanotubos de dióxido de titânio, que fornecem um caminho fácil para os elétrons saírem do hemateno, os cientistas descobriram que podiam permitir que mais luz visível fosse absorvida.
Os pesquisadores também descobriram que as propriedades magnéticas do hemateno diferem das da hematita. Embora a hematita nativa seja antiferromagnética, testes mostraram que o hemateno é ferromagnético, como um ímã comum. Em ferromagnetos, os momentos magnéticos dos átomos apontam na mesma direção. Em antiferromagnetos, os momentos em átomos adjacentes se alternam.
Ao contrário do carbono e sua forma 2D, grafeno, hematita é um material não-van der Waals, o que significa que é mantido unido por redes de ligação 3D em vez de interações atômicas van der Waals não químicas e comparativamente mais fracas.
Uma imagem de microscópio eletrônico de transmissão mostra hemateno de duas camadas e monocamada, esfoliado de hematita, um minério de ferro comum, por cientistas da Rice University e seus parceiros internacionais. O material é promissor como catalisador para geração avançada de combustível solar e aplicações de spintrônica. A barra de escala é igual a 50 nanômetros. Crédito:Ajayan Research Group / Rice University
"A maioria dos materiais 2D até agora foram derivados de contrapartes a granel que são em camadas na natureza e geralmente conhecidas como sólidos de van der Waals, "disse o co-autor do professor Anantharaman Malie Madom Ramaswamy Iyer, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Cochin, Índia. "Materiais 2D de precursores a granel com redes de ligação 3D (não van der Waals) são raros, e, neste contexto, hemateno assume grande significado. "
De acordo com o co-autor Chandra Sekhar Tiwary, um ex-pesquisador de pós-doutorado na Rice e agora um professor assistente no Indian Institute of Technology, Gandhinagar, os colaboradores estão explorando outros materiais não Van der Waals para seu potencial 2D.
