Uma equipe liderada pela Universidade de Washington descobriu que, ao empilhar uma folha de grafeno sobre grafite em massa em um pequeno ângulo de torção (topo), propriedades “exóticas” presentes na interface grafeno-grafite (amarelo) podem se transformar em o próprio grafite. Crédito:Ellis Thompson Durante décadas, os cientistas têm investigado o potencial dos materiais bidimensionais para transformar o nosso mundo. Os materiais 2D têm apenas uma única camada de átomos de espessura. Dentro deles, partículas subatômicas como os elétrons só podem se mover em duas dimensões. Esta simples restrição pode desencadear um comportamento incomum dos elétrons, imbuindo os materiais de propriedades "exóticas", como formas bizarras de magnetismo, supercondutividade e outros comportamentos coletivos entre os elétrons - todos os quais poderiam ser úteis em computação, comunicação, energia e outros campos.
Mas os pesquisadores geralmente assumem que essas propriedades 2D exóticas existem apenas em folhas de camada única ou pilhas curtas. As chamadas versões “em massa” desses materiais – com suas estruturas atômicas 3D mais complexas – deveriam se comportar de maneira diferente.
Ou assim eles pensaram.
Em artigo publicado em 19 de julho na Nature , uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Washington relata que é possível imbuir o grafite – o material 3D encontrado nos lápis nº 2 – com propriedades físicas semelhantes às da contraparte 2D do grafite, o grafeno. Esta descoberta não só foi inesperada, como a equipa também acredita que a sua abordagem poderia ser usada para testar se tipos semelhantes de materiais a granel também podem assumir propriedades semelhantes às do 2D. Se assim for, as folhas 2D não serão a única fonte para os cientistas alimentarem as revoluções tecnológicas. Materiais 3D em massa podem ser igualmente úteis.
"O empilhamento de camada única sobre camada única - ou duas camadas em duas camadas - tem sido o foco para desbloquear novas físicas em materiais 2D há vários anos. Nessas abordagens experimentais, é aí que emergem muitas propriedades interessantes, "disse o autor sênior Matthew Yankowitz, professor assistente de física e de ciência e engenharia de materiais da UW. "Mas o que acontece se você continuar adicionando camadas? Eventualmente isso terá que parar, certo? Isso é o que a intuição sugere. Mas, neste caso, a intuição está errada. É possível misturar propriedades 2D em materiais 3D."
A equipe, que também inclui pesquisadores da Universidade de Osaka e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, adaptou uma abordagem comumente usada para sondar e manipular as propriedades de materiais 2D:empilhar folhas 2D em um pequeno ângulo de torção. Yankowitz e seus colegas colocaram uma única camada de grafeno no topo de um cristal de grafite fino e volumoso e, em seguida, introduziram um ângulo de torção de cerca de 1 grau entre o grafite e o grafeno. Eles detectaram propriedades elétricas novas e inesperadas não apenas na interface torcida, mas também nas profundezas do grafite.
O ângulo de torção é fundamental para gerar essas propriedades, disse Yankowitz, que também é membro do corpo docente do UW Clean Energy Institute e do UW Institute for Nano-Engineered Systems. Um ângulo de torção entre folhas 2D, como duas folhas de grafeno, cria o que é chamado de padrão moiré, que altera o fluxo de partículas carregadas como elétrons e induz propriedades exóticas no material.
Nos experimentos conduzidos por UW com grafite e grafeno, o ângulo de torção também induziu um padrão moiré, com resultados surpreendentes. Embora apenas uma única folha de grafeno no topo do cristal tenha sido torcida, os pesquisadores descobriram que as propriedades elétricas de todo o material diferiam marcadamente das do grafite típico. E quando ativaram um campo magnético, os elétrons nas profundezas do cristal de grafite adotaram propriedades incomuns semelhantes às dos elétrons na interface torcida.
Essencialmente, a interface única torcida de grafeno-grafite tornou-se inextricavelmente misturada com o resto do grafite em massa.
"Embora estivéssemos gerando o padrão moiré apenas na superfície do grafite, as propriedades resultantes estavam espalhadas por todo o cristal", disse o co-autor Dacen Waters, pesquisador de pós-doutorado em física da UW.
Para folhas 2D, os padrões moiré geram propriedades que podem ser úteis para a computação quântica e outras aplicações. A indução de fenômenos semelhantes em materiais 3D abre novas abordagens para estudar estados incomuns e exóticos da matéria e como trazê-los do laboratório para nossa vida cotidiana.
"Todo o cristal assume este estado 2D", disse o co-autor Ellis Thompson, estudante de doutorado em física da UW. "Esta é uma maneira fundamentalmente nova de afetar o comportamento dos elétrons em um material a granel."
Yankowitz e sua equipe acreditam que sua abordagem de gerar um ângulo de torção entre o grafeno e um cristal de grafite em massa poderia ser usada para criar híbridos 2D-3D de seus materiais irmãos, incluindo ditelureto de tungstênio e pentatelureto de zircônio. Isto poderia desbloquear uma nova abordagem para a reengenharia das propriedades de materiais a granel convencionais usando uma única interface 2D.
"Este método pode se tornar um playground realmente rico para o estudo de novos fenômenos físicos emocionantes em materiais com propriedades mistas 2D e 3D", disse Yankowitz.
Mais informações: Matthew Yankowitz, Sistemas moiré de dimensão mista de filmes finos grafíticos torcidos, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06290-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06290-3 Informações do diário: Natureza
