Os cientistas estão explorando novas maneiras de empilhar artificialmente materiais bidimensionais (2D), introduzindo os chamados materiais 2,5D com propriedades físicas únicas. Pesquisadores no Japão revisaram os mais recentes avanços e aplicações de materiais 2.5D na revista Science and Technology of Advanced Materials .
“O conceito 2.5D simboliza a liberdade da composição, materiais, ângulos e espaço normalmente usados ​​na pesquisa de materiais 2D”, explica o cientista de nanomateriais e principal autor Hiroki Ago, da Universidade Kyushu, no Japão.

Materiais 2D, como o grafeno, consistem em uma única camada de átomos e são usados ​​em aplicações como painéis de toque flexíveis, circuitos integrados e sensores.

Recentemente, novos métodos foram introduzidos para possibilitar o empilhamento artificial de materiais 2D na vertical, no plano ou em ângulos torcidos, independentemente de suas composições e estruturas. Isso se deve à capacidade de controlar as forças de van der Waals:interações elétricas fracas entre átomos e moléculas, semelhantes à atração de poeira de um pano de microfibra. Agora também é possível integrar materiais 2D com outros materiais dimensionais, como íons, nanotubos e cristais em massa.

Um método comum para fabricar materiais 2.5D é a deposição de vapor químico (CVD), que deposita uma camada, um átomo ou molécula de cada vez, em uma superfície sólida. Os blocos de construção comumente usados ​​para materiais 2.5D incluem grafeno, nitreto de boro hexagonal (hBN) (um composto usado em cosméticos e aeronáutica) e dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs) (um semicondutor de nanofolhas).

Usando o método CVD, os pesquisadores sintetizaram seletivamente uma bicamada de grafeno, a forma mais simples de um material 2,5D, usando uma folha de cobre-níquel com concentração relativamente alta de níquel como catalisador. O níquel torna o carbono altamente solúvel, dando aos pesquisadores mais controle sobre o número de camadas de grafeno. Quando um campo elétrico foi aplicado verticalmente através da bicamada de grafeno, ele abriu um intervalo de banda, o que significa que sua condutividade pode ser ligada e desligada. Este é um fenômeno que não é observado no grafeno de monocamada porque não possui gap de banda e permanece ligado o tempo todo. Ao inclinar o ângulo de empilhamento em um grau, os cientistas descobriram que o material se tornou supercondutor.

Da mesma forma, outro grupo no Reino Unido e nos EUA descobriu que uma camada de grafeno e hBN resulta no efeito Hall quântico, um fenômeno de condução envolvendo um campo magnético que produz uma diferença de potencial. Outros mostraram que o empilhamento de TMDCs aprisiona excitons (elétrons emparelhados com seus buracos associados em um estado ligado) nos padrões de rede sobrepostos. Isso pode levar a aplicações em dispositivos de armazenamento de informações. Novas técnicas de montagem robótica também possibilitaram a construção de estruturas verticais mais complexas, incluindo uma heteroestrutura empilhada composta por 29 camadas alternadas de grafeno e hBN, por exemplo.

Outras pesquisas usaram os nanoespaços que se formam entre as camadas de um material 2,5D para inserir moléculas e íons a fim de melhorar as propriedades elétricas, magnéticas e ópticas do material hospedeiro.

Até agora, por exemplo, os pesquisadores descobriram que o grafeno estabiliza o cloreto de ferro quando é inserido entre suas camadas empilhadas, enquanto a inserção de íons de lítio leva a uma taxa de difusão mais rápida (a rapidez com que as moléculas se espalham em uma área) do que a do grafite, um condutor elétrico usado em baterias. Isso implica que o material pode ser usado em baterias recarregáveis ​​de alto desempenho.

Além disso, os pesquisadores descobriram que a inserção de moléculas de cloreto de alumínio entre duas folhas de grafeno leva à formação de novas estruturas cristalinas que são completamente diferentes do cristal de cloreto de alumínio a granel. Mais pesquisas são necessárias para entender por que isso acontece e quais aplicações podem ter.

"Existem muitas oportunidades para explorar com este novo conceito 2.5D", diz Ago.

Aplicações futuras de materiais 2.5D incluem células solares, baterias, dispositivos flexíveis, dispositivos quânticos e dispositivos com consumo de energia muito baixo.

As próximas etapas devem incorporar aprendizado de máquina, aprendizado profundo e informática de materiais para avançar ainda mais no design e na síntese de materiais 2.5D. + Explorar mais

Notícia:novo estudo revela suavidade inesperada do grafeno de bicamada