Super forte e com apenas um átomo de espessura, o grafeno é promissor como nanomaterial para tudo, desde microeletrônica até armazenamento de energia limpa. Mas a falta de uma propriedade limitou seu uso. Agora, pesquisadores da Universidade de Princeton e do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) superaram esse problema usando plasma de baixa temperatura, criando uma nova técnica que abre as portas para uma vasta gama de aplicações industriais e científicas para o promissor nanomaterial.
Mais forte que o aço

O grafeno, que é mais duro que o diamante e mais forte que o aço, pode ser a base para as tecnologias da próxima geração. Mas a ausência de uma propriedade chamada band gap no grafite de grafite que compõe o grafeno restringe sua capacidade de funcionar como semicondutor, o material no coração dos dispositivos microeletrônicos. Os semicondutores isolam e conduzem corrente elétrica, mas, embora o grafeno seja um excelente condutor, ele não pode servir como isolante sem um intervalo de banda.

"As pessoas usam silício que tem uma lacuna de banda para semicondutores", disse Fang Zhao, principal autor de um artigo na revista Carbon que descreve o novo processo. “A abertura de um intervalo de banda considerável no grafeno deu origem a estudos intensos para o uso de semicondutores”, disse Zhao, físico do Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), que escreveu o artigo enquanto pesquisador de pós-doutorado em Princeton.

O dilema levou cientistas de todo o mundo a explorar maneiras de produzir uma lacuna de banda no grafeno para expandir suas aplicações potenciais. Um método popular tem sido modificar quimicamente a superfície do grafeno com hidrogênio, um processo chamado "hidrogenação". Mas a maneira convencional de fazer isso produz corrosão e pulverização irreversíveis que podem danificar seriamente a superfície do grafeno - conhecido como material 2D devido à sua natureza ultrafina - em segundos ou minutos.

Cientistas de Princeton e PPPL mostraram agora que um novo método para hidrogenar grafeno pode abrir com segurança a porta para aplicações microeletrônicas de grande alcance. O método marca uma nova maneira de produzir plasma de hidrogênio que amplia substancialmente a cobertura de hidrogênio no material 2D. “Esse processo cria tratamentos de hidrogênio muito mais longos por causa de seu baixo dano ao grafeno”, disse Zhao.

O plasma, o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos, compõe 99% do universo visível. O plasma de hidrogênio de baixa temperatura que o PPPL desenvolveu para hidrogenar o grafeno contrasta com os plasmas de fusão de milhões de graus que há muito são a marca registrada da pesquisa do PPPL, que visa desenvolver energia de fusão segura, limpa e abundante para gerar eletricidade.

Spin-off de Ptolomeu

O novo método deriva de um experimento chamado Ptolomeu, um projeto da Universidade que o físico de Princeton, Chris Tully, vem desenvolvendo com a assistência de Zhao. Esse projeto usa o decaimento do trítio, o isótopo radioativo do hidrogênio, no esforço de capturar neutrinos relíquias que surgiram apenas alguns segundos após o Big Bang que criou o universo. Tais relíquias podem lançar uma nova luz sobre o Big Bang, de acordo com o projeto de Ptolomeu.

Para melhorar a taxa de detecção do decaimento, Tully recorreu ao físico do PPPL Yevgeny Raitses, que lidera a pesquisa de plasma de baixa temperatura no PPPL. “A prontidão do PPPL para unir forças e trazer propriedades transformacionais de materiais 2D é inspiradora”, disse Tully. "Quebrar o recorde mundial em rendimento de hidrogenação de grafeno é um tributo às capacidades únicas do PPPL."

Raitses e colegas desenvolveram um método para expandir a cobertura de hidrogênio no grafeno que abriga o decaimento do trítio. O processo aumenta muito as aplicações futuras do grafeno. "Este spinoff de Ptolomeu agora pode ser usado para microeletrônica, QIS [ciência da informação quântica] e outras aplicações", disse Raitses. "O método também pode ser aplicado a outros materiais 2D."

O spinoff combina campos elétricos e magnéticos para produzir um plasma de hidrogênio que fornece hidrogênio abundante com baixo dano ao grafeno. Este método suave e bem controlado é em si um derivado da pesquisa que Raitses desenvolveu enquanto estudava os propulsores Hall, motores de propulsão de naves espaciais baseados em plasma. A técnica hidrogenou o grafeno por até 30 minutos em experimentos de PPPL, aumentando muito a cobertura de hidrogênio e abrindo um band gap que transforma o grafeno em material semicondutor.

Tudo isso, diz o Carbono paper, cria um método atraente para fazer materiais 2D "empolgantes e promissores [fontes] para vastas aplicações".

Também colaboraram neste artigo os físicos de Princeton Chris Tully e Andi Tan, juntamente com o químico Xiaofang Yang do Departamento de Engenharia Química e Biológica de Princeton. O apoio para este trabalho vem do Escritório de Ciência do DOE (FES) e do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea. + Explorar mais

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