Uma forma recém-criada de carbono em uma malha de apenas um átomo de espessura está atormentando os cientistas com indícios de que poderia melhorar drasticamente as baterias recarregáveis ​​e permitir fios tão pequenos que podem operar em uma escala em que os metais falham. O material, conhecida como rede de bifenileno, é altamente condutivo e pode provar ser capaz de armazenar mais energia elétrica do que até mesmo o grafeno, o material do favo de mel de carbono de espessura atômica identificado há quase 20 anos.

Em maio, os cientistas anunciaram que foram capazes de adaptar o arranjo dos átomos de carbono em uma malha que, pela primeira vez, inclui hexágonos, quadrados e octógonos, ao mesmo tempo que garante que o material ainda tem apenas um átomo de espessura.

O novo arranjo geométrico em duas dimensões adiciona à lista de estruturas de carbono - ou alótropos - como grafite, diamante e grafeno. Mas os cientistas descobriram que ele tem propriedades eletrônicas muito diferentes. Faz sentido comparar o novo material com o grafeno, onde os átomos de carbono se ligam em uma única camada de hexágonos para formar uma malha com características elétricas e térmicas surpreendentes, bem como excelente resistência mecânica, e ainda é altamente transparente.

A pesquisa de laboratório sobre o novo material na Universidade de Marburg na Alemanha e na Universidade Aalto na Finlândia descobriu que as fitas de rede de bifenileno com alguns átomos de largura se comportam eletricamente como um metal. Isso dá uma dica de que o material pode ser desenvolvido para fazer fios condutores em circuitos eletrônicos à base de carbono.

"Se você pegar nanofitas de grafeno de largura semelhante, então eles são normalmente semicondutores e este bifenileno é mais prontamente um metal, "disse Peter Liljeroth, professor do departamento de física aplicada da Aalto University. Isso poderia tornar o material útil como um condutor em nanoescala em futuros dispositivos eletrônicos, ele adicionou. Ele e sua equipe fizeram suas descobertas usando uma técnica de imagem chamada espectroscopia de tunelamento de varredura para examinar tiras de rede de bifenileno de até 21 átomos de largura. Essas fitas foram feitas pelo grupo do Prof. Michael Gottfried no departamento de físico-química da Philipps-Universität Marburg, Na Alemanha.

A equipe de Marburg desenvolveu a rota de síntese deste material. Eles fizeram cadeias moleculares contendo carbono em arranjos específicos que se reúnem em uma forma ultra-lisa, superfície de ouro não reativa. E então outra etapa - apelidada de HF-zipping - une as correntes para formar as tiras de rede de bifenileno.

Potencial elétrico

A análise de amostras em larga escala pode ajudar a mostrar se um ânodo de bifenileno pode aumentar a eficiência das baterias de íon-lítio, comumente usado em telefones celulares e veículos elétricos. "Se você tem bifenileno a granel ou multicamadas ... então existem previsões teóricas de que a capacidade de armazenamento de lítio deve ser maior, muito mais alto, do que para o grafeno, "Dr. Liljeroth disse.

Se confirmado, isso tornaria o material extremamente atraente em recarregáveis. Mas o Prof. Liljeroth enfatiza que há um longo caminho a percorrer antes que tais propriedades possam ser potencialmente aproveitadas em aplicações industriais ou de consumo.

Um desafio na fabricação de bifenileno a granel é aumentar a precisão do processo de síntese de tiras ou fitas de bifenileno de qualidade suficiente para formar folhas maiores, sem partes do material assumindo o padrão de grafeno à medida que os átomos de carbono se agregam e se ligam.

Embora os pesquisadores da Aalto pudessem identificar as propriedades elétricas do material de Marburg, outras características da rede de bifenileno permanecem inexploradas. A pesquisa ainda é necessária para definir sua mecânica, qualidades térmicas e ópticas. Fazer isso, ajudaria ter amostras maiores.

Fios de carbono

As propriedades condutivas metálicas confirmadas já apontam para a possibilidade de fios condutores para a eletrônica em menor escala.

Fios feitos de metais como cobre normalmente se degradam em espessuras atômicas por meio de um processo de eletromigração - onde os elétrons em movimento podem deslocar átomos e danificar os fios, que se tornam instáveis ​​e eventualmente quebram.

Um material como a rede de bifenileno pode ajudar a evitar essas dificuldades em circuitos eletrônicos, trabalhando como um metal na condução de elétrons, mas sem as desvantagens. Isso tornaria condutores mais estáveis, permitindo que fios menores sejam usados ​​em eletrônicos em nanoescala.

“Esse é um dos problemas que tem que ser superado ou resolvido, e os materiais à base de carbono são muito bons a esse respeito, "Prof. Liljeroth disse.

Mas ele acrescentou uma nota clara de cautela:"Há muitos, muitas etapas entre agora e o uso real em um microprocessador. "

Essas propriedades, e outros ainda a serem identificados, poderia fornecer campos ricos para exploração e desenvolvimento, assim como a nova maneira de produzir a própria rede de bifenileno.

O Prof. Liljeroth enfatizou o potencial da abordagem HF-zipping usada pela equipe do Prof. Gottfried para fazer qualquer número de outras estruturas de carbono.

A equipe de Marburg usou precursores químicos à base de carbono contendo hidrogênio e flúor para "zipar" diferentes cadeias de carbono atômicas. Em vez de padronizar para o grafeno - a forma mais básica na superfície - a etapa extra envolvia adaptar quimicamente as bordas das fitas que se juntam para formar a rede de bifenileno.

“O que espero que saia deste trabalho é que as pessoas comecem a pensar sobre esse tipo de processo de compactação HF para fazer novos materiais, (então) você pode começar com o mesmo conceito, ajustar os precursores e acabar com outra rede de carbono 2D, "Prof. Liljeroth acrescentou.

Como o material até agora foi produzido em uma superfície de ouro, outro desafio é aperfeiçoar a transferência da rede de bifenileno do metal. Essa é uma tarefa em que os pesquisadores podem tirar lições do trabalho feito com o grafeno - um material em que o trabalho em andamento também oferece algumas outras dicas para o desenvolvimento da rede de bifenileno.

"Eu diria que há muito potencial ... agora que eles mostraram que essas estruturas são viáveis, eles são estáveis, pelo menos sob essas condições, "disse o professor Roman Fasel, que dirige o Laboratório de nanotech @ superfícies nos Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA) e não esteve envolvido na pesquisa.

"Vai ser um grande desafio aumentar a escala, " ele disse, mas acrescentou que o trabalho com o grafeno havia mostrado que era possível progredir desde as menores partículas de material até escalas viáveis.

"Uma direção é otimizar a síntese para alcançar uma rede 2D de grande área, digamos que para eletrodos e coisas assim, mas a outra seria encontrar uma maneira de fazer nanofitas bem definidas - então, apenas a variante 1-D do material, " ele disse.

Um dos principais desafios que o bifenileno enfrenta é identificar propriedades que o tornam uma escolha óbvia para aplicações futuras - conhecido em termos de computação como um 'aplicativo matador' - onde é muito melhor do que seus rivais, bem como mais fácil e barato de fazer.

Afinal, as pessoas trabalham com grafeno há quase duas décadas e, embora ele exiba muitas propriedades excelentes e tenha encontrado uso em tintas e revestimentos, microeletrônica e condutores transparentes - além de ser usado em raquetes de tênis e tinta - ele não revolucionou completamente nenhum campo específico.

"Em alguns casos, um novo material abre algo que simplesmente não era possível fazer com a tecnologia existente, e então ele pode romper mais rápido, "disse o professor Liljeroth." Mas eu não sei sobre o bifenileno - vamos ter que cuidar disso. "