Em meio ao frenesi de pesquisas mundiais sobre materiais atomicamente finos como o grafeno, há uma área que escapou a qualquer análise sistemática, embora esta informação possa ser crucial para uma série de aplicações potenciais, incluindo dessalinização, Sequenciamento de DNA, e dispositivos para comunicações quânticas e sistemas de computação.

Essa informação faltando tem a ver com os tipos de defeitos minúsculos, ou "buracos, "que se formam nessas folhas 2-D quando alguns átomos estão faltando na estrutura cristalina do material.

Agora que o problema foi resolvido por pesquisadores do MIT, que produziram um catálogo dos tamanhos e formatos exatos de buracos que provavelmente seriam observados (em oposição a muitos mais que são teoricamente possíveis) quando um determinado número de átomos é removido da rede atômica. Os resultados são descritos no jornal Materiais da Natureza em um artigo do estudante graduado Ananth Govind Rajan, professores de engenharia química Daniel Blankschtein e Michael Strano, e quatro outros no MIT, Espaço Lockheed Martin, e a Universidade de Oxford.

"É um problema antigo no campo do grafeno, o que chamamos de problema de catalogação de isômeros para nanoporos, "Strano diz. Para aqueles que querem usar grafeno ou similar bidimensional, materiais semelhantes a folhas para aplicações, incluindo separação química ou filtração, ele diz, "só precisamos entender os tipos de defeitos atômicos que podem ocorrer, "em comparação com o número muito maior que nunca é visto.

Por exemplo, Blankschtein aponta, removendo apenas oito átomos de carbono contíguos da matriz hexagonal de átomos de arame de galinha no grafeno, existem 66 formas diferentes possíveis que o orifício resultante poderia ter. Quando o número de átomos removidos aumenta para 12, o número de formas possíveis salta para 3, 226, e com 30 átomos removidos, existem 400 bilhões de possibilidades - um número muito além de qualquer possibilidade razoável de simulação e análise. No entanto, apenas um punhado dessas formas são realmente encontradas em experimentos, portanto, a capacidade de prever quais realmente ocorrem pode ser de grande utilidade para os pesquisadores.

Descrevendo a falta de informações sobre quais tipos de buracos realmente podem se formar, Strano diz, "O que isso fez, praticamente falando, é uma desconexão entre o que você pode simular com um computador e o que você realmente pode medir no laboratório. "Este novo catálogo das formas que são realmente possíveis tornará a busca por materiais para usos específicos muito mais gerenciável, ele diz.

A capacidade de fazer a análise dependia de uma série de ferramentas que simplesmente não estavam disponíveis anteriormente. "Você não poderia ter resolvido este problema há 10 anos, "Strano diz. Mas agora, com o uso de ferramentas, incluindo a teoria química dos grafos, cálculos precisos de estrutura eletrônica, e microscopia eletrônica de transmissão de varredura de alta resolução, os pesquisadores capturaram imagens dos defeitos mostrando as posições exatas dos átomos individuais.

A equipe chama esses buracos na rede de "antimoléculas" e os descreve em termos da forma que seria formada pelos átomos que foram removidos. Essa abordagem fornece, pela primeira vez, uma estrutura simples e coerente para descrever todo o conjunto dessas formas complexas. Anteriormente, "se você estivesse falando sobre esses poros no material, não havia como identificar "o tipo específico de buraco envolvido, Govind Rajan diz. "Assim que as pessoas começarem a criar esses poros com mais frequência, seria bom ter uma convenção de nomenclatura "para identificá-los, ele adiciona.

Este novo catálogo pode ajudar a abrir uma variedade de aplicações potenciais. "Os defeitos são bons e ruins, "Strano explica." Às vezes você quer evitá-los, "porque enfraquecem o material, mas "outras vezes você deseja criá-los e controlar seus tamanhos e formas, "por exemplo, para filtração, processamento químico, ou sequenciamento de DNA, onde apenas certas moléculas específicas podem passar por esses orifícios. Outra aplicação pode ser a computação quântica ou dispositivos de comunicação onde buracos de um tamanho e forma específicos são ajustados para emitir fótons de luz de cores e níveis de energia específicos.

Além de seu impacto nas propriedades mecânicas de um material, buracos afetam eletrônicos, magnético, e características ópticas também, Govind Rajan says.

"We think that this work will constitute a valuable tool" for research on defects in 2-D materials, Strano predicts, because it will allow researchers to home in on promising types of defects instead of having to sort through countless theoretically possible shapes "that you don't care about at all, because they are so improbable they'll never form."