Cientistas simulam geração de magnetismo no grafeno, material que pode dominar eletrônica

Pesquisadores combinaram cálculos analíticos e computacionais para mostrar que um tipo de magnetismo pode ser induzido em amostras reais de grafeno, tema ainda controverso na literatura

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Foto: Portal GDA via Visual Hunt
Há perspectiva do uso do grafeno em condutores flexíveis – Foto: Portal GDA via Visual Hunt

O grafeno é um material promissor e com grande potencial de aplicação quando se fala em componentes eletrônicos. Exemplos de suas possíveis aplicações incluem o uso de transistores feitos à base de carbono ao invés de silício, o material dominante na tecnologia atual de microprocessadores. Há também a perspectiva do uso do grafeno em condutores flexíveis, que permitem avanço na chamada tecnologia vestível. As pesquisas com o grafeno são recentes, tanto que em 2010 Andre Geim e Konstantin Novoselov, ambos da Universidade de Manchester (Reino Unido) receberam o Prêmio Nobel de Física por estudos inovadores com o material bidimensional.

E por aqui, cientistas do Instituto de Física (IF) da USP e da Universidade Federal Fluminense (UFF), de Niterói, publicaram recentemente, no periódico Physical Review B, o artigo Coulomb charging energy of vacancy-induced states in graphene, que recebeu destaque dos editores. A colaboração dos pesquisadores mostra algo de novo em relação a esse revolucionário material. Os físicos Luís Gregório Dias, do IF, Vladimir Miranda e Caio Lewenkopf, ambos da UFF, combinaram cálculos analíticos e computacionais para mostrar que um tipo de magnetismo pode ser induzido em amostras reais de grafeno, um tema controverso na literatura. A indução do magnetismo somada às demais propriedades do material o tornarão mais rico em suas funcionalidades. As simulações foram realizadas com a utilização de um software desenvolvido na UFF.

Grafeno: como uma rede de arame onde os pontos são átomos de carbono - Alexander Aius via Wikimedia Commons
Grafeno: como uma rede de arame onde os pontos são átomos de carbono – Alexander Aius via Wikimedia Commons

“Já existem protótipos de uso do grafeno na confecção de telas flexíveis mais resistentes e pesquisas estão sendo realizadas no sentido de tornar equipamentos mais eficientes em consumo de energia e com melhor condutividade”, explica o professor Luís Gregório Dias, do IF. O cientista descreve que o grafeno é constituído por uma folha de átomos de carbono dispostos num padrão hexagonal. Mas esta “folha de átomos” tem a espessura de um único átomo. Para se ter uma ideia, uma folha de grafeno é cerca de 1 milhão de vezes mais fina do que o diâmetro de um fio de cabelo. Mesmo o padrão hexagonal dos átomos em sua parte “plana” é tão diminuto que só pode ser visualizado em microscópios eletrônicos.

Para melhor explicar a constituição do grafeno, o físico explica que o material é o principal constituinte do grafite: “Se juntarmos diversas camadas de grafeno, como num sanduíche, teremos o grafite. E se retirarmos as camadas, uma a uma, teremos então as ‘folhas’ de grafeno com seus átomos de carbono dispostos nos vértices de hexágonos interligados, formando o desenho de um favo de mel”.

Magnetismo

Nas simulações realizadas em computador, os cientistas estudaram os efeitos do que eles denominam “vacâncias na rede hexagonal”. “Nosso esforço é no sentido de combinar as propriedades eletrônicas do grafeno com propriedades magnéticas, o que abriria uma enorme gama de possibilidades para funcionalidades híbridas, elétrica e magnética, em dispositivos à base de grafeno”, ressalta Dias. Uma das possibilidades exploradas, segundo o físico, é gerar momentos magnéticos no grafeno.

Na estrutura hexagonal, cada vértice do hexágono possui um átomo de carbono. “O que estudamos foi uma folha de grafeno com um dos átomos removidos, gerando assim o que chamamos de vacância”, descreve Dias. Mas ele ressalta que a existência e a origem do magnetismo de vacâncias em grafeno têm sido um tópico controverso, com resultados conflitantes na literatura.

A imagem ilustra uma "vacância" na estrutura hexagonal - Ilustração: Cedida pelo pesquisador
A imagem ilustra uma vacância na estrutura hexagonal – Ilustração: Cedida pelo pesquisador

Dias explica que na retirada de um átomo de carbono do hexágono, ou seja, na região da vacância, podem ser encontrados elétrons. “Esses elétrons, que possuem carga negativa, tendem a se repelir”, descreve o físico. Isto faz com que, na tentativa de inserir um segundo elétron no estado da vacância, o sistema precise “pagar um preço” energético, dado pela energia de repulsão Coulombiana, comumente representada pela letra “U”. Valores maiores de U favorecem a ocorrência de magnetismo. “O estudo teve o intuito de estimar qual a energia U para uma vacância em grafeno”, explica Vladimir Miranda, primeiro autor do trabalho.

O grupo também obteve expressões algébricas que permitiram que estimativas de U para sistemas com tamanhos de amostras reais (envolvendo milhões de átomos de carbono) pudessem ser calculadas. “Mostramos que o valor de U é bastante significativo mesmo para sistemas reais, dando um forte suporte teórico para a indução de magnetismo em grafeno com vacâncias”, afirma Miranda.

O cientista enfatiza que a pesquisa é básica. “Estamos colocando um tijolo no muro deste conhecimento das propriedades do grafeno com o magnetismo”, compara Dias.

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