Após o isolamento do grafeno em 2004, começou uma corrida para sintetizar novos materiais bidimensionais. Essas são substâncias de camada única com espessura entre um átomo e alguns nanômetros (bilionésimos de metro). Eles possuem propriedades únicas ligadas à sua reduzida dimensionalidade e desempenham um papel fundamental no desenvolvimento da nanotecnologia e da nanoengenharia.

Um grupo internacional de pesquisadores, incluindo cientistas brasileiros filiados à Universidade de Campinas (UNICAMP), conseguiram produzir um novo material com essas características.

Os pesquisadores extraíram um material 2-D que eles chamam de hemateno do minério de ferro comum. O material tem apenas três átomos de espessura e acredita-se que tenha propriedades fotocatalíticas aprimoradas. Essa inovação é descrita em artigo publicado em Nature Nanotechnology .

"O material que sintetizamos pode atuar como um fotocatalisador para dividir a água em hidrogênio e oxigênio, para que a eletricidade possa ser gerada a partir do hidrogênio, entre várias outras aplicações potenciais, "disse Douglas Soares Galvão, um dos autores do estudo e co-investigador principal do CCES.

O novo material foi esfoliado de hematita, um dos minerais mais comuns da Terra e a principal fonte de ferro, qual é o metal mais barato, utilizado em muitos produtos e principalmente na fabricação de aço.

Ao contrário do carbono e sua forma 2-D de grafeno, hematita é um material não-van der Waals, o que significa que é mantido unido por redes de ligações 3-D, em vez de interações atômicas de van der Waals não químicas e comparativamente mais fracas, que são não covalentes (não envolvem o compartilhamento de um ou mais pares de elétrons pelos átomos que participam da ligação).

Por ser um mineral natural, é altamente orientado, grandes cristais e não é um material de van der Waals, os pesquisadores acreditam que a hematita é um excelente precursor para a esfoliação de novos materiais 2-D.

"A maioria dos materiais 2-D sintetizados até agora foram derivados de amostras de sólidos de van der Waals. Materiais 2-D não-van der Waals com camadas atômicas altamente ordenadas e grãos grandes ainda são raros, "Disse Galvão.

O hemateno foi sintetizado pela esfoliação em fase líquida do minério de hematita em um solvente orgânico, N, N-dimetilformamida (DMF). A microscopia eletrônica de transmissão confirmou a esfoliação e a formação de hemateno em folhas únicas com espessura de apenas três átomos de ferro e oxigênio (monocamada) e em folhas de duas camadas empilhadas aleatoriamente.

Testes e cálculos matemáticos foram realizados para estudar as propriedades magnéticas do hemateno. Os resultados mostraram que eles diferiam das propriedades magnéticas da hematita. Embora a hematita nativa seja antiferromagnética, hemateno é ferromagnético, como um ímã comum. Em ferromagnetos, os dipolos são paralelos e alinhados na mesma direção. Em antiferromagnetos, os dipolos são antiparalelos e alinhados em direções opostas.

"Em ferromagnetos, os momentos magnéticos dos átomos apontam na mesma direção. Em antiferromagnetos, os momentos em átomos adjacentes se alternam, "Explicou Galvão.

Fotocatalisador eficiente

Os pesquisadores também analisaram as propriedades fotocatalíticas do hemateno - sua capacidade de aumentar a velocidade de uma reação química quando energizado pela luz. Os resultados mostraram que a fotocatálise por hemateno é mais eficiente que a fotocatálise por hematita, cujas propriedades fotocatalíticas são bem conhecidas, mas não fortes o suficiente para serem úteis.

Para um material ser um fotocatalisador eficiente, deve absorver a parte visível da luz solar, gerar uma carga elétrica, e transportá-lo para a superfície do material para realizar a reação desejada.

A hematita absorve a luz solar da região ultravioleta para a região amarelo-laranja, mas a carga que ele produz tem vida muito curta. Como resultado, ele desaparece antes de chegar à superfície.

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.

"O 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, "disse o pesquisador da FAPESP RIDC. Spintrônica (ou magnetoeletrônica) é uma nova tecnologia usada para armazenar, exibir e processar informações com base nas mudanças provocadas pelo spin de um elétron, que está diretamente acoplado ao seu momento magnético.

O grupo investigou outros materiais que não são de Van der Waals por seu potencial de dar origem a outros materiais 2-D com propriedades exóticas. "Há uma série de outros óxidos de ferro e seus derivados que são candidatos a originar novos materiais 2-D, "Disse Galvão.