Uma equipe de pesquisadores da Rice University mapeou como partículas de materiais 2D se movem no líquido – conhecimento que poderia ajudar os cientistas a montar materiais em escala macroscópica com as mesmas propriedades úteis de seus equivalentes 2D.



"Os nanomateriais bidimensionais são materiais extremamente finos - com apenas alguns átomos de espessura - em forma de folha", disse Utana Umezaki, estudante de pós-graduação da Rice e principal autor de um estudo publicado na ACS Nano. . "Eles se comportam de maneira muito diferente dos materiais com os quais estamos acostumados no dia a dia e podem ter propriedades realmente úteis:podem suportar muita força, resistir a altas temperaturas e assim por diante. Para aproveitar essas propriedades únicas, temos que encontrar maneiras para transformá-los em materiais de maior escala, como filmes e fibras."

Para manter suas propriedades especiais em massa, as folhas de materiais 2D precisam estar adequadamente alinhadas – um processo que geralmente ocorre na fase de solução. Os pesquisadores do arroz se concentraram no grafeno, que é composto de átomos de carbono, e no nitreto de boro hexagonal, um material com estrutura semelhante ao grafeno, mas composto por átomos de boro e nitrogênio.

"Estávamos particularmente interessados ​​no nitreto de boro hexagonal, que às vezes é chamado de 'grafeno branco' e que, ao contrário do grafeno, não conduz eletricidade, mas tem alta resistência à tração e é quimicamente resistente", disse Angel Martí, professor de química e bioengenharia. , ciência de materiais e nanoengenharia e presidente do departamento de química de Rice. “Uma das coisas que percebemos é que a difusão do nitreto de boro hexagonal em solução não era muito bem compreendida.

"Na verdade, quando consultamos a literatura, descobrimos que o mesmo acontecia com o grafeno. Não conseguimos encontrar um relato da dinâmica de difusão no nível de molécula única para esses materiais, o que nos motivou a resolver esse problema."

Os pesquisadores usaram um surfactante fluorescente, ou seja, sabão brilhante, para marcar as amostras de nanomateriais e tornar seu movimento visível. Vídeos desse movimento permitiram aos pesquisadores mapear as trajetórias das amostras e determinar a relação entre seu tamanho e como elas se movem.

“A partir da nossa observação, encontramos uma tendência interessante entre a velocidade do seu movimento e o seu tamanho”, disse Umezaki. “Poderíamos expressar a tendência com uma equação relativamente simples, o que significa que podemos prever o movimento matematicamente”.

Descobriu-se que o grafeno se move mais lentamente na solução líquida, possivelmente devido ao fato de suas camadas serem mais finas e flexíveis que o nitreto de boro hexagonal, dando origem a mais atrito. Os pesquisadores acreditam que a fórmula derivada do experimento poderia ser usada para descrever como outros materiais 2D se movem em contextos semelhantes.

“Entender como funciona a difusão em um ambiente confinado para esses materiais é importante porque – se quisermos fazer fibras, por exemplo – extrudamos esses materiais através de injetores ou fieiras muito finos”, disse Martí. “Portanto, este é o primeiro passo para entender como esses materiais começam a se montar e a se comportar quando estão neste ambiente confinado.”

Sendo um dos primeiros estudos a investigar a hidrodinâmica de materiais em nanofolhas 2D, a pesquisa ajuda a preencher uma lacuna no campo e pode ser fundamental para superar os desafios de fabricação de materiais 2D.

“Nosso objetivo final ao estudar esses blocos de construção é ser capaz de gerar materiais macroscópicos”, disse Martí.

Anatoly Kolomeisky, professor de química e engenharia química e biomolecular na Rice, e Matteo Pasquali, A.J. Hartsook Professor de Engenharia Química e Biomolecular e professor de química e de ciência de materiais e nanoengenharia são autores correspondentes do estudo.

Mais informações: Utana Umezaki et al, Difusão Browniana de Nanofolhas Hexagonais de Nitreto de Boro e Grafeno em Duas Dimensões, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c11053
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pela Rice University