Desde que o grafeno - uma fina folha de carbono com apenas um átomo de espessura - foi descoberto há mais de 15 anos, o material maravilhoso tornou-se um cavalo de batalha na pesquisa de ciência dos materiais. A partir desse corpo de trabalho, outros pesquisadores aprenderam que cortar grafeno ao longo da borda de sua rede de favo de mel cria tiras de grafeno em ziguezague unidimensionais ou nanofitas com propriedades magnéticas exóticas.
Muitos pesquisadores procuraram aproveitar o comportamento magnético incomum das nanofitas em dispositivos spintrônicos baseados em carbono que permitem armazenamento de dados de alta velocidade e baixo consumo de energia e tecnologias de processamento de informações codificando dados por meio de spin de elétrons em vez de carga. Mas como as nanofitas em ziguezague são altamente reativas, os pesquisadores lutaram para observar e canalizar suas propriedades exóticas em um dispositivo do mundo real.

Agora, conforme relatado na edição de 22 de dezembro da revista Nature , pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e da UC Berkeley desenvolveram um método para estabilizar as bordas das nanofitas de grafeno e medir diretamente suas propriedades magnéticas únicas.

A equipe co-liderada por Felix Fischer e Steven Louie, ambos cientistas do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, descobriu que, substituindo alguns dos átomos de carbono ao longo das bordas em ziguezague da fita por átomos de nitrogênio, eles poderiam ajustar discretamente a estrutura eletrônica local sem interromper as propriedades magnéticas. Essa mudança estrutural sutil permitiu ainda o desenvolvimento de uma técnica de microscopia de sonda de varredura para medir o magnetismo local do material em escala atômica.

"As tentativas anteriores de estabilizar a borda em ziguezague inevitavelmente alteraram a estrutura eletrônica da própria borda", disse Louie, que também é professor de física na UC Berkeley. "Esse dilema condenou os esforços para acessar sua estrutura magnética com técnicas experimentais e até agora relegou sua exploração a modelos computacionais", acrescentou.

Guiados por modelos teóricos, Fischer e Louie projetaram um bloco de construção molecular personalizado com um arranjo de átomos de carbono e nitrogênio que podem ser mapeados na estrutura precisa das nanofitas de grafeno em ziguezague desejadas.

Para construir as nanofitas, os pequenos blocos de construção moleculares são primeiro depositados em uma superfície plana de metal, ou substrato. Em seguida, a superfície é aquecida suavemente, ativando duas alças químicas em cada extremidade de cada molécula. Esta etapa de ativação quebra uma ligação química e deixa para trás uma "extremidade pegajosa" altamente reativa.

Cada vez que duas "extremidades pegajosas" se encontram enquanto as moléculas ativadas se espalham na superfície, as moléculas se combinam para formar novas ligações carbono-carbono. Eventualmente, o processo cria cadeias em margarida 1D de blocos de construção molecular. Finalmente, uma segunda etapa de aquecimento reorganiza as ligações internas da cadeia para formar uma nanofita de grafeno com duas bordas paralelas em ziguezague.

"A vantagem única desta tecnologia molecular bottom-up é que qualquer característica estrutural da fita de grafeno, como a posição exata dos átomos de nitrogênio, pode ser codificada no bloco de construção molecular", disse Raymond Blackwell, estudante de pós-graduação na Fischer e co-autor principal do artigo junto com Fangzhou Zhao, um estudante de pós-graduação do grupo Louie.

O próximo desafio foi medir as propriedades das nanofitas.

“Percebemos rapidamente que, para não apenas medir, mas realmente quantificar o campo magnético induzido pelos estados de borda da nanofita polarizada por spin, teríamos que resolver dois problemas adicionais”, disse Fischer, que também é professor de química na UC Berkeley.

Primeiro, a equipe precisava descobrir como separar a estrutura eletrônica da fita de seu substrato. Fischer resolveu o problema usando uma ponta de microscópio de tunelamento para quebrar irreversivelmente a ligação entre a nanofita de grafeno e o metal subjacente.

O segundo desafio foi desenvolver uma nova técnica para medir diretamente um campo magnético na escala nanométrica. Felizmente, os pesquisadores descobriram que os átomos de nitrogênio substituídos na estrutura das nanofitas realmente agiam como sensores em escala atômica.

Medições nas posições dos átomos de nitrogênio revelaram as características de um campo magnético local ao longo da borda em ziguezague.

Cálculos realizados por Louie usando recursos de computação no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa em Energia (NERSC) produziram previsões quantitativas das interações que surgem dos estados de borda polarizados por spin das fitas. As medições de microscopia das assinaturas precisas de interações magnéticas corresponderam a essas previsões e confirmaram suas propriedades quânticas.

“Explorar e, finalmente, desenvolver as ferramentas experimentais que permitem a engenharia racional dessas bordas magnéticas exóticas abre as portas para oportunidades sem precedentes de spintrônica baseada em carbono”, disse Fischer, referindo-se a dispositivos nanoeletrônicos de próxima geração que dependem de propriedades intrínsecas dos elétrons. O trabalho futuro envolverá a exploração de fenômenos associados a essas propriedades em arquiteturas de grafeno em ziguezague personalizadas. + Explorar mais

Evidências encontradas de magnetismo nas bordas do grafeno