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Mais leve e condutor
Reconhecido como a substância sólida mais leve que existe, o aerogel tem inúmeras aplicações, da ciência espacial à biologia,
Conhecido como fumaça congelada, ou fumaça sólida, o aerogel é também um isolante térmico quase perfeito.
Mas tudo pode ser melhorado.
Cientistas da Universidade da Flórida, nos Estados Unidos, acabam de desenvolver uma nova forma de aerogel ainda mais leve, com elevada resistência e uma área superficial incrivelmente grande.
O chamado aerogel de nanotubos de carbono de paredes múltiplas poderá ser usado em sensores para detectar poluentes e substâncias tóxicas, reatores químicos e, agora, graças às propriedades dos nanotubos de carbono, em componentes eletrônicos.
Ou em sondas espaciais para coletar poeira de estrelas.
Aerogel de nanotubos
Os aerogeles feitos de dióxido de silício - o principal componente da areia comum - e de polímeros orgânicos, já são usados como isolantes térmicos em edifícios, raquetes de tênis, esponjas para limpar vazamentos de petróleo e vários outros produtos.
Mas fabricar um aerogel de nanotubos de carbono é algo que apenas uns poucos cientistas haviam conseguido até agora.
A grande vantagem dos nanotubos é que eles são condutores elétricos, o que abre novas possibilidades de uso da "fumaça congelada".
Por exemplo, os testes mostraram que um sensor construído com o novo aerogel é capaz de detectar um objeto com massa de 0,099 grama.
Se os nanotubos de carbono usados para fabricar um cubo de 28 gramas de aerogel fossem retirados e postos lado a lado, eles cobririam uma área equivalente a três campos de futebol.
Bibliografia:Não resta a menor dúvida de que os nanotubos de carbono (NTC) constituem um dos materiais mais importantes da nanotecnologia. Tal afirmação pode facilmente ser verificada pelo número de trabalhos acadêmicos - mais de 60.000 e, sobretudo, pelo número de patentes, mais de 25.000 -, realizados com esta nova forma do carbono, desde seu descobrimento por Iijima, em 1991.
Outro ponto que chama a atenção quando se fala de nanotubos de carbono é sua produção mundial: já ultrapassamos 1.300 toneladas/ano de capacidade instalada!
Na maioria de suas aplicações industriais (e mesmo acadêmicas), quando os NTC são formulados com outros materiais (polímeros, tintas, etc.), duas etapas químicas importantes geralmente são realizadas. A primeira é a eliminação dos catalisadores provenientes dos diferentes métodos de síntese. A segunda, a funcionalização dos NTC, visando à sua compatibilidade com diferentes materiais, a qual é, via de regra, iniciada com tratamentos que envolvem o uso de misturas altamente oxidantes, constituídas de ácido nítrico (HNO3) e ácido sulfúrico (H2SO4).
Na segunda etapa, ou seja, na funcionalização, são formados os chamados "débris de oxidação", que são eliminados dos nanotubos de carbono através de lavagem com soluções de hidróxido de sódio. Tal procedimento de separação faz com que o efluente deste processo (solução escura) apresente uma mistura de poliaromáticos - similares aos ácidos húmicos -, e matéria orgânica dissolvida (do inglês, DOM). São bem conhecidos os aspectos negativos da presença destas substâncias na qualidade da água e no seu tratamento.
O processo de remediação, desenvolvido por pesquisadores do LQES, se baseou no uso de argilas sintéticas, que podem sofrer tanto o fenômeno de adsorção (determinada pelas interações eletrostáticas envolvendo a superfície da argila e o débris) quanto as reações de intercalação, típicas dos materiais argilosos (presença de planos lamelares).
O resultado das pesquisas mostrou que o uso deste processo elimina mais de 99% do débris de oxidação, tendo ainda a vantagem de permitir não só a reutilização da argila (após tratamento térmico), como também da solução alcalina pós-tratamento (solução incolor) na extração dos débris (reuso).
O processo desenvolvido pelo LQES - Laboratório de Química do Estado Sólido foi apresentado recentemente (novembro 2010) no Congresso NanoSafe 2010, na seção "Life Cycle of Nanomaterials", realizado em Grenoble, França. O aspecto interessante deste processo é que nanopartículas é que são utilizadas para remediar efluentes de materiais nanoestruturados, ou seja: nanotecnologia "criando soluções de segurança" para a própria nanotecnologia.
Considerando o grande potencial de aplicação industrial deste desenvolvimento, foi depositada pela Unicamp, através de sua Agência de Inovação - INOVA, uma patente nacional (INPI), em maio de 2010, e uma patente internacional (PCT), em novembro de 2010.
Participaram deste desenvolvimento os pesquisadores Diego Stéfani, Natália Valenga Parizotto, Antonio Gomes de Souza Filho (UFC) e Oswaldo Luiz Alves.
Trabalho completo, que aprofunda o estudo dos débris de oxidação, será publicado proximamente pela revista Journal of Hazardous Materials.
O grafeno tem, agora, um primo que, ao que tudo indica, também promete na nanoeletrônica. Seu nome? Grafano. Predito teoricamente, acaba de ser sintetizado por uma equipe internacional, que conta entre seus membros os descobridores do grafeno. Segundo alguns pesquisadores, ele poderá servir também para armazenar eficazmente o hidrogênio.
Recém-chegado à física do sólido, o grafeno foi fabricado pela primeira vez, em 2004, por dois físicos da Universidade de Manchester. A priori, ele não tem nada de extraordinário, uma vez que a grafite de nossos lápis não é senão o empilhamento dessas folhinhas de átomos de carbono organizadas segundo uma rede hexagonal. Entretanto, quando se lembra que os nanotubos de carbono e os fulerenos não são senão folhas de grafeno enroladas, começa-se a duvidar da importância que esse último possa ter.
Inicialmente ele começou por desafiar os teóricos do teorema de Mermin-Wagner, uma forma rigorosa de um argumento apresentado pelo grande Landau e Rudolf Peierls, para demonstrar a impossibilidade de uma rede cristalina em duas dimensões. Estreitamente ligado às noções de simetrias quebradas, essa teoria da impossibilidade ("no go theorem", em inglês) parecia um obstáculo intransponível. Mas aqui, como em outras áreas, o Universo (a Natureza), ignorando a teoria, a fez com o grafeno! De fato, se a folhinha apresenta ondulações, torna-se estável.
Os experimentalistas não tardaram a encontrar no grafeno impressionantes propriedades eletrônicas e de resistência mecânica, a tal ponto que ele está em vias de se tornar o substituto potencial do silício, na nanoeletrônica do futuro. Poder-se-á produzir, graças a ele, transistores ainda menores e mais rápidos.
Do grafeno a hidrogênio
Hoje, os dois descobridores do grafeno, em 2004, André Geim e Kostya Novoselov, acabam de estender ainda mais o campo das aplicações do grafeno, encontrando o meio de acrescentar a ele átomos de hidrogênio. Por analogia com os alcanos, as moléculas de carbono hidrogenadas como o metano ou o propano, chamou-se grafano a esse novo material.
O material tinha sido predito teoricamente há algum tempo por Jorge Sofo. A estrutura produzida lembra a do diamante e, como esperado, o grafano é também um isolante. Os circuitos eletrônicos são "montagens" de condutores e de isolantes e é interessante avaliar, numa perspectiva de futuro próximo, a obtenção em quantidade suficiente de componentes desse gênero, a partir de um único material de base. Assim, os pesquisadores pensam partir de uma folha de grafano que poderá ser, de algum modo, "riscada" com uma ponta apropriada liberando átomos de hidrogênio. Serão produzidos desta maneira verdadeiros circuitos condutores em grafeno traçados sobre o grafano. De forma mais geral, o grafano poderia conter zonas condutoras, semicondutoras e isolantes. Não estamos lá ainda...
O problema é que: se é possível fabricar facilmente o pó de grafeno, folhinhas de alguns centímetros quadrados custam somas astronômicas, ultrapassando grandemente um milhão de dólares. Vê-se, portanto, que restam ainda numerosos obstáculos a serem transpostos, antes que o grafeno e o grafano se tornem realmente materiais providenciais para nossa vida quotidiana.
Futura-Science, 06 de fevereiro, 2009 (Tradução - MIA).
Não cessa de crescer o interesse dado ao grafeno por suas propriedades eletrônicas e moleculares. Pesquisadores da Northwestern University (Illinois, EUA) desenvolveram um filme flexível e resistente composto de folhas de óxido de grafeno.
Os testes de tensão e de flexão do filme mostram que as interações entre as folhas de grafeno permitem que o filme seja mais resistente que os filmes à base de carbono ou de compostos inorgânicos.Northwestern University (http://www.mccormick.northwestern.edu), consultado em 08 de agosto de 2007 (Tradução - MIA).
Após sua descoberta, em 1985, os fulerenos, moléculas em forma de bola de futebol, continuam fascinando químicos e físicos. Pesquisadores da Universidade de Rice (EUA), utilizando um microscópio eletrônico, descobriram que essas moléculas se formavam segundo as teorias propostas e as simulações numéricas realizadas.
Aliás, o termo fulereno deriva de seu nome, empregando-se também em inglês o termo buckyball, para falar dos fulerenos em geral, assim como Buckminsterfullerene para a molécula C60.Os fulerenos são casos particulares de grafeno e, como eles, são susceptíveis de numerosas aplicações interessantes, principalmente em relação com os nanotubos de carbono. A Academia Sueca não se enganou ao ter entregue o Prêmio Nobel de Química de 1996 a seus descobridores.
Conforme as teorias propostas por Richard Smalley e seus colegas, os fulerenos deviam se formar em alta temperatura, a partir de milhares de átomos de carbono. Estes, então, se juntariam para formar folhinhas de grafeno que, sob a ação da agitação térmica, se resfriariam, se dobrariam sobre si mesmos a fim de se "despedaçarem", para não deixarem senão estruturas mais estáveis em razão de sua forma esférica.Os autores verificaram que, um grande fulereno, formado de pelo menos 2000 átomos, se forma em um nanotubo, a partir de folhinhas de grafeno, e rapidamente "se encolhe" para dar, provavelmente, fulerenos menores, exatamente segundo o processo predito pelos pesquisadores.
Compreendendo melhor sua síntese, os pesquisadores poderão, no futuro, fabricar como desejarem o tipo de fulereno melhor apropriado às suas aplicações.
Pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram um novo método químico para produzir nanofitas de grafeno (Graphene nanoribbons, GNR) para fabricar transistores de efeito de campo funcionando à temperatura ambiente. Esses transistores poderão vir a ser utilizados nos computadores de altas performances, mais rápidos, com produção menor de calor. À medida que a gravação dos circuitos em silício se aproxima de alguns nanômetros, os efeitos quânticos surgem. Nessa escala, os elétrons se comportam diferentemente e comprometem as qualidades semicondutoras do silício: o grafeno, assim, tem fortes chances de ser o sucessor do "velho e bom silício".
Existem outros transistores de efeito de campo fabricados com GNR, mas funcionam à temperatura do hélio líquido (4,2 Kelvins). O que realmente faz a diferença é a largura das fitas: quanto mais largas forem, mais baixa deve ser a temperatura de funcionamento, o que, evidentemente, é um fator extremamente limitante para sua fabricação em grande escala. As fitas fabricadas pela equipe dirigida pelo Dr. Hongjie Dai têm menos de 10 nm de largura. As experiências de transporte elétrico mostraram que, contrariamente aos nanotubos de carbono de parede simples, todos os GNR de larguras inferiores a 10 nm produzidos eram semicondutores e permitiam uma razão On-Off de 1:10.000.000, à temperatura ambiente. A razão On-Off é a diferença de corrente que atravessa o transistor quando está em posição On e em posição Off. É necessária uma relação muito alta para que o material possa ser utilizado como transistor, senão é dificil diferenciar eletronicamente se o transistor está em estado On ou Off.
Para fabricar essas fitas, a equipe exfoliou o grafite extensível, aquecido a 1.000 graus Celsius, durante um minuto, em argônio contendo 3% de hidrogênio. O grafite exfoliado é decomposto em uma solução química, via ultrasons, durante 30 minutos. Através da centrifugação, os substratos formados durante o banho a ultrasons são recuperados. A microscopia de força atômica (AFM) coloca em evidência numerosas GNRs de uma única camada de 50 nm com menos de 10 nm de largura, e de comprimento de cerca de 1 micrômetro. Os transistores FET GNR foram fabricados com paládio para a realização dos contatos metálicos da fonte e do dreno. Os transistores permitem até 200 microampéres/micrômetro (para um comprimento de 200 a 300 nm) a 0,5 volts de tensão dreno-fonte. Os pesquisadores pensam melhorar essas performances, já promissoras, otimizando os contatos e reduzindo o comprimento do canal.Outras extruturas de grafeno são exploradas para fazer nanotransmissores. Uma equipe da The School of Physics and Astronomy, da Universidade de Manchester, utilizou a litografia de feixe de elétrons para fabricar o menor transistor do mundo (1 átomo de espessura e 10 átomos de comprimento) "entalhando" folhinhas de grafeno. Os resultados obtidos são impressionantes, mas dificilmente concebíveis em grande escala. Certamente, as nanofitas descritas em trabalhos anteriores são maiores, mas sua técnica de fabricação é mais simples.
Resta ver qual técnica será utilizada quando o silício "se aposentar" dos circuitos eletrônicos, ou seja : quando as dimensões ultrapassarem a marca dos 10 nm.
Já há muita coisa sobre o grafeno nas notícias do LQES. Esse material, composto de um único plano de um cristal de grafite e que tem, portanto, a mesma estrutura reticular de um nanotubo desenrolado, partilha um grande número das propriedades mirabolantes dos nanotubos de carbono, e notadamente a mobilidade eletrônica a mais elevada, à temperatura ambiente, entre todos os materiais conhecidos.
Essas propriedades fazem das estruturas à base de carbono componentes ideais para as aplicações nos circuitos de alta freqüência.
Utilizando esses "materiais-miraculosos", os pesquisadores do Centro de Pesquisa J. Watson da IBM em Yorktown Heigts (EUA) fabricaram transistores do tipo top-gated, ou seja: com uma grade depositada por cima. Uma vez caracterizados, os transistores não deixaram por menos: se comportam como transistores de efeito de campo (FET) usuais, com uma freqüência de corte (cutoff) que pode atingir os 26 GHz, para um comprimento de grade de 150 nm. Em artigo publicado on-line sob forma de pré-publicação, os autores do estudo afirmam que seus resultados indicam que - com a condição de poder manter a mobilidade elevada do grafeno durante todo o procedimento de fabricação - os componentes FET caracterizados por uma freqüência de corte vizinha do TeraHertz (o Santo Graal das tecnologias) poderão ser realizados com um comprimento de grade de apenas 50 nm. Lembremos que com componentes à base de silício, deve-se reduzir o tamanho da grade abaixo de 30 nm para poder atingir freqüências de cerca de 300 GHz.O nó (porque há sempre um nó) é neste momento, o dielétrico da grade diminui drasticamente as performances do transistor de grafeno, "jogando fora" os excelentes benefícios ligados à mobilidade intrínseca deste material. O procedimento de fabricação deverá, portanto, ser sensivelmente melhorado antes que esses componentes inovadores possam cumprir suas promessas.
Certamente o silício não é o material do futuro, mas o futuro sem silício não faz senão se anunciar!
NanotechWeb, 05 de janeiro, 2009 (Tradução/Texto - MIA).
Crescer grafeno sobre metais como cobalto ou níquel é interessante por duas razões, dizem os líderes das equipes George Flynn e Tony Heinz, do Nanoscale Science and Engineering Center, na Columbia, e Mark Hybertsen, de Brookhaven. Primeiro, a constante de rede da superfície do Co(0001) e do Ni(111) "se casam" com as constantes de rede do plano do grafeno. Isto significa que camadas estáveis podem ser crescidas, sem a necessidade de se ter superestruturas complexas, necessárias no caso da utilização de metais com grande "descasamento" de rede. Segundo, Ni e Co são materiais ferromagnéticos usados em aplicações da spintrônica, dispositivos que exploram não só o spin do elétron como também sua carga.Usando uma técnica de evaporação a vácuo, os pesquisadores colocaram moléculas precursoras em fase sólida contendo carbono (hexabenzacoroneno) no interior de uma câmara de ultra-alto vácuo aumentando a temperatura até 605 K para depositar as moléculas sobre uma superfície limpa de Co(0001). Em seguida, realizaram o tratamento térmico do substrato de cobalto com as moléculas adsorvidas na temperatura de 600 K, durante 20 minutos na câmara de vácuo para produzir nanoilhas de grafeno bem isoladas e bem definidas. Finalmente, a amostra foi resfriada a 4,9 K para as medidas de microscopia de varredura por tunelamento.
A equipe observou que dois átomos de carbono da célula unitária do grafeno ficam no topo de um átomo de cobalto, enquanto o outro átomo de carbono está localizado em um sítio vazio eqüidistante de três átomos de cobalto (ver ilustração) da superfície Co(0001). Foi observado também um forte acoplamento entre o grafeno e a superfície do cobalto (se comparado com a superfície de outros metais tais como prata, cobre ou platina). Isto significa que a estrutura eletrônica do grafeno que está em contato com o Co(0001) é muito diferente daquela do grafeno isolado.
Abrindo um gap
"A hibridização entre os orbitais p do grafeno e d do cobalto abrem um gap na estrutura eletrônica próximo do nível de Fermi do grafeno", diz Flynn. "Este efeito é devido principalmente ao ambiente assimétrico dos dois átomos de carbono na cela unitária do grafeno que surge naturalmente quando ele se encontra na superfície de Co(0001)."
O grafeno pode ser usado como um material carreador de spin, no futuro, enquanto que o cobalto é um dos materiais ferromagnéticos mais explorados em aplicações de spintrônica. O acoplamento estrutural e eletrônico entre grafeno e cobalto na região de contato, revelado por este estudo, será muito importante para o desenvolvimento de dispositivos de spintrônica baseados em grafeno.
"Por exemplo, um gap aparece na estrutura eletrônica do grafeno sobre o cobalto, graças ao forte acoplamento entre os dois materiais. Este fato indica que um dos parâmetros-chave para uma injeção eficiente de spin no grafeno é o ajuste da intensidade do acoplamento entre o grafeno e o material ferromagnético", explicou Flynn. Tal sintonia poderia ser obtida se inserindo uma camada espessa de óxido ou um metal não magnético entre os dois materiais.
Nanotechweb (Tradução - AGF).
O grafeno, criado em laboratório pelos cientistas há cinco anos, é 200 vezes mais resistente que o aço, seus elétrons apresentam alta mobilidade e ele tem propriedades óticas e de transporte bastante peculiares. Alguns especialistas acreditam que o grafeno é mais versátil que os nanotubos de carbono, e a habilidade em tornar o grafeno magnético potencializa novas aplicações desses materiais em spintrônica, área que explora o spin do elétron para memória e processamento de dados.Apesar das propriedades do grafeno poderem ser significativamente modificadas pela introdução de defeitos e pela saturação com hidrogênio, tem sido bastante difícil para os cientistas manipular a estrutura para torná-lo magnético.
"O novo material que estamos prevendo, o grafono, torna o grafeno magnético, controlando simplesmente a cobertura de hidrogênio, ou seja, quanto de hidrogênio é colocado na sua superfície. Este procedimento evita as dificuldades encontradas para sintetizar grafeno magnético", disse Puru Jena, professor do Departamento de Física da Virginia Commonwealth University.
"Existem muitas maneiras de engenheirar novos materiais funcionais simplesmente mudando sua composição e estrutura. Nossa descoberta pode guiar os pesquisadores, no futuro, para obter este material no laboratório e explorar o seu potencial de aplicação tecnológica", disse Jena.
"Um dos impactos importantes desta pesquisa é que a semi-hidrogenação fornece uma maneira peculiar de sintonizar o magnetismo. A folha de grafono ferromagnética terá possibilidade de aplicações nos dispositivos à base de grafeno sem precedentes", disse Qiang Sun, professor associado à equipe da Virginia Commonwealth University.
(1) O grafeno possui uma cobertura completa de hidrogênio, enquanto no grafono apenas metade dos átomos de carbono do grafeno é coberta com hidrogênio (semi-hidrogenação).
Science Dayly (Tradução - AGS).
Físicos americanos fabricaram, à base de grafeno, um transistor, o mais rápido do mundo, cuja frequência de corte é de 100 gigahertz. O dispositivo ainda pode ser miniaturizado e otimizado, de modo que poderá, em breve, superar os dispositivos convencionais feitos à base de silício, diz a equipe. O transistor pode encontrar aplicações em comunicações na faixa de microondas e em sistemas de imageamento.
Phaedon Avouris, Yu-Ming Lin e colegas da IBM TJ Watson Research Center, em Nova York (EUA), iniciaram o processo de fabricação do transistor de efeito de campo (FET) pelo aquecimento de uma "bolacha" de carbeto de silício (SiC) para criar uma camada superficial de átomos de carbono, na forma de grafeno. Eletrodos paralelos como "fonte" e "dreno" foram depositados no grafeno, deixando os canais de grafeno expostos entre esses eletrodos, como mostrado na figura.O comprimento da porta é relativamente grande (240 nm), mas a mesma pode ser miniaturizada para melhorar a performance do dispositivo, declaram os pesquisadores.
O transistor de grafeno já conta com uma maior frequência de corte, superior aos dispositivos MOSFET à base de silício para o mesmo comprimento de porta (estes têm uma frequência de corte em torno de 40 GHz). Frequência de corte é aquela acima da qual um transistor sofre uma degradação significativa em seu desempenho. O novo dispositivo quebra o recorde anterior da própria IBM - 26 GHz -, noticiado em janeiro de 2009.
Relevância tecnológica
Diferentemente da maioria dos FETs à base de grafenos, que tinham sido fabricados a partir de flocos de grafeno, o dispositivo da IBM é feito usando técnicas já utilizadas pela indústria de semicondutores. "Nosso trabalho é a primeira demonstração de que dispositivos de alto desempenho, à base de grafeno, podem ser fabricados em escala de bolachas de forma tecnologicamente relevante", disse Avouris.
Um obstáculo para esses dispositivos à base de grafeno, contudo, é que não podem ser utilizados em circuitos digitais, tais como os usados em computadores. Isto ocorre porque o grafeno tem um gap de energia nulo, entre sua banda de condução e de valência. É exatamente tal lacuna que permite que os semicondutores convencionais sejam utilizados como chaveadores de corrente ON e OFF.
Ao invés de usados em circuitos digitais, tais transistores de alta frequência podem ser usados, por exemplo, para amplificar sinais de micro-ondas em comunicações e aplicações de imageamento, incluindo radar de alta resolução, imagens médicas e de segurança.
Os pesquisadores da IBM planejam agora reduzir as dimensões dos transistores, melhorar a pureza do grafeno e otimizar a arquitetura do dispositivo. "Tais transistores têm o potencial de superar sobremaneira os dispositivos convencionais", disse Avouris.
A equipe procura também maneiras de criar um gap de energia (band gap) no transistor à base de grafeno, para que este possa ser utilizado em aplicações digitais.
Nanotechweb (Tradução AGS.).
Objetivando fabricar grandes folhas de carbono para coletar luz, químicos da Universidade de Indiana em Bloomington (EUA) criaram uma solução não usual - anexaram o que equivale a um conjunto de tentáculos em cada lado de folhas de grafeno. Utilizando este método, os cientistas afirmam que foram capazes de dispersar as folhas contendo 168 átomos de carbono, um feito pioneiro.
"Nosso interesse vem do desejo de encontrar um material alternativo, e de fácil disponibilidade no mercado, com alto poder de absorção de luz solar", disse o químico Liang-shi Li, que liderou a pesquisa. "Atualmente, os materiais mais utilizados como absorvedores de luz em células solares são o silício e compostos contendo rutênio. Cada um tem suas desvantagens."
A principal desvantagem é o custo e a disponibilidade a longo prazo. As células solares baseadas em rutênio podem ser potencialmente mais baratas que as baseadas em silício, mas o rutênio é um metal raro na Terra, tão raro quanto a platina, e se esgotará rapidamente quando a demanda aumentar.
O carbono é barato e abundante, e na forma de grafeno, capaz de absorver luz em uma ampla faixa de freqüência. O grafeno é essencialmente a mesma coisa que o grafite (material usado para fazer o lápis), exceto que o grafeno é apenas uma folha de carbono, com um átomo de espessura. O grafeno é uma promessa como material eficiente, de produção barata, e o menos tóxico dentre os materiais alternativos a serem usados em células solares. Entretanto, ele também tem "aborrecido" os cientistas.
Para que uma folha de grafeno possa ser de alguma utilidade para coletar luz, ela deve ser grande. Contudo, para utilizar a energia solar absorvida na forma de eletricidade, a folha não pode ser muito grande. Infelizmente, trabalhar com grandes folhas de grafeno é difícil, e o controle do tamanho é mais difícil ainda. Quanto maior a folha de grafeno, mais "pegajosa" ela é, o que a torna mais susceptível de atrair e de "grudar" nas outras folhas de grafeno. Ter várias camadas de grafeno (grafite) pode ser bom para se usar como lápis, mas as propriedades elétricas ficam prejudicadas.
Químicos e engenheiros descobriram diferentes estratégias para manter as folhas de grafeno isoladas umas das outras. A solução mais eficaz - antes dos trabalhos da Universidade de Indiana -, era baseada na exfoliação do grafite (abordagem top-down) em folhas e o seu envolvimento com polímeros, para torná-las isoladas umas das outras. No entanto, tal processo faz com que as folhas de grafeno tenham tamanhos aleatórios e muito grandes para absorver luz nas células solares.
Li e seus colaboradores puseram à prova uma idéia diferente. Anexando grupos laterais semirrígido, semiflexível e tridimensionais nas bordas do grafeno, foram capazes de limitar as folhas de grafeno com tamanho de 168 átomos de carbono e, ao mesmo tempo, promover a adesão entre estas folhas. Com este método, conseguiram produzir folhas de grafeno pequenas (abordagem bottom-up) e com tamanho uniforme. Para os pesquisadores, trata-se da maior folha de grafeno estável já produzida, usando-se a abordagem bottom-up.
O grupo anexado na borda do grafeno consiste de um anel de carbono hexagonal e três longas cadeias compostas de carbono e hidrogênio. Como a folha de grafeno é rígida, o grupo é forçado a girar 90 graus em relação ao plano do grafeno. As três cadeias silvosas possuem liberdades de movimento, mas duas delas tendem a envolver a folha de grafeno em que estão ligadas.
As cadeias não se limitam somente a funcionarem como gaiolas. Elas também servem como direcionadores para o solvente orgânico, de modo que toda a estrutura pode ser dissolvida. Li e seus colegas foram capazes de dissolver 30 mg desta espécie em 30 mL de solvente.
"Neste trabalho, encontramos uma nova forma de fazer grafeno solúvel," disse Li. "Isso é tão importante quanto o tamanho relativamente grande do grafeno em si."
Para testar a eficácia do grafeno como absorvedor de luz, os cientistas construíram células solares rudimentares, usando dióxido de titânio como aceitador de elétrons. Os cientistas foram capazes de atingir uma densidade de 200 microamperes-por-cm2 de corrente e uma tensão de circuito aberto de 0,48 volts. As folhas de grafeno absorveram uma quantidade significativa de luz na faixa do visível ao infravermelho próximo (200-900 nm), com um pico de absorção ocorrendo em 591 nm.
Os cientistas estão redesenhando as folhas de grafeno com extremidades "pegajosas" para se ligarem ao dióxido de titânio, que irá melhorar a eficiência das células solares. "Coletar a energia do sol é o primeiro passo," disse Li. "Como transformar a energia em eletricidade é o próximo. Acreditamos que tivemos um bom começo."
Os doutorandos Xin Xiao e Yan Cui e o posdoc Binsong Li também contribuíram para a pesquisa, que foi financiada pela National Science Foundation e pelo American Chemical Society Petroleum Research Fund.
Science Daily (Tradução AGS).
Extraido de LQES NEWSNo terreno das nanotecnologias "parece" que já não se pode duvidar de mais nada. "Tudo é possível!". Pelo menos é o que certos desenvolvimentos, como aquele realizado por pesquisadores russos do Instituto de Microeletrônica de Chernogolovka, em associação com colegas da Universidade de Manchester (Reino Unido), autorizam imaginar.
Em pesquisa conjunta, os pesquisadores teriam desenvolvido o primeiro material com as dimensões de um átomo, revelando assim a existência de uma nova classe de materiais, que poderia levar à concepção de computadores compostos por uma só molécula.
As duas equipes teriam conseguido extrair camadas de átomos de carbono de cristais de grafite, o que as levou à produção da estrutura mais fina possível - o grafeno. A nanoestrutura pertence à família das moléculas fulereno, descoberta nos últimos 20 anos, mas pela primeira vez seria bidimensional.
No momento, os pesquisadores se concentram sobre as propriedades eletrônicas da nanoestrutura de carbono. Utilizando técnicas de litografia e de gravação, a equipe russa está encarregada de transformar em transistor as estruturas preparadas em Manchester. Ela teria mostrado que na condição ambiente tem-se um transistor de campo ambipolar, e que a microestrutura teria uma excelente qualidade, podendo os elétrons se deslocar, sem dispersão, da fonte ao dreno, propriedade esta importante para a concepção de transistores de transmissão ultra-rápida.
Em se tratando de microprocessadores, a ordem parece ser fazê-los cada vez mais potentes e mais rápidos. Para atingir tal objetivo, os engenheiros empenham-se na redução do tamanho dos transistores, tornando cada vez menor a distância a ser percorrida pelos elétrons para comutar os 0 e os 1.
Assim, cientistas imaginam transistores compostos de uma única molécula, uma visão nada "science fiction" após a descoberta dos cientistas russos e ingleses. Mesmo que trabalhando atualmente sobre estruturas ao redor de 10 mícrons de comprimento, não existiria limitação fundamental do tamanho lateral das nanoestruturas de carbono.
Segundo o Doutor Novoselov, "Há apenas 10 anos, os nanotubos não atingiam o mícron. Hoje, os cientistas fazem nanotubos de vários centímetros de comprimento, e progressos similares podem razoavelmente ser esperados para as nanoestruturas de carbono".
Ninguém espere que a tecnologia à base de silício, tão em uso na indústria microeletrônica, seja algo que vá permanecer ad infinitum. Os avanços nessa área são tão surpreendentemente rápidos e, quando atingidos os limites do ínfimo com essa tecnologia, a microeletrônica deverá contar, e na certa contará, com outros recursos.
Para garantir o futuro da microeletrônica, logo, da miniaturização de aparelhos, pesquisadores já partiram para a realização de transistores funcionais feitos a partir do grafeno, uma nova forma de carbono - descoberta, há dois anos, pelo físico Andre Geim -, com a espessura de apenas um átomo.
Já, quando de sua descoberta, pesquisadores da Universidade de Manchester, na Inglaterra, entre eles Geim, logicamente, já tinham conseguido criar transistores em grafeno, mas, infelizmente, os aparelhos existentes naquele momento eram incapazes de interromper completamente a corrente. Agora, o novo desenvolvimento permite produzir transistores capazes de um dia virem a equipar computadores e outros aparelhos eletrônicos.
Enquanto o silício e os demais materiais conhecidos tornam-se instáveis quando em tiras de algumas dezenas de nanômetros de largura, o grafeno permanece estável e conserva sua condutividade mesmo em tiras de apenas alguns nanômetros de largura. As empresas de semicondutores utilizam freqüentemente uma tecnologia de fabricação em silício de 45 nanômetros, o que deixa pouco espaço para uma miniaturização contínua nessa área.
Futuramente, os circuitos eletrônicos poderão ser "talhados" a partir de uma única folha de grafeno, de dimensões nanoscópicas, composta de átomos de carbono, apenas. E, é bom lembrarmos sempre, que um nanômetro corresponde à milionésima parte do milímetro.
As formas comuns do carbono são a grafite (onde os átomos são arranjados em "folhas" ligadas entre si por ligações fracas, o que explica suas propriedades lubrificantes) e o diamante (no qual os átomos formam uma estrutura cristalina regular e muito resistente). Os cientistas compararam o arranjo atômico do grafeno à tela de um galinheiro, mas apresentando uma leve ondulação em sua espessura, reforçando, assim, sua estrutura.
O espectro de aplicações perspectivadas para o material é amplo. Para citar apenas duas: melhoria da definição de imagens produzidas para microscópios eletrônicos e a separação de gases por meio de peneiras moleculares.
Mais uma vez o grafeno justifica sua denominação: "material maravilha". Uma descoberta fortuita, feita na Universidade da Califórnia - Berkeley poderia, de fato, conduzir à emergência de uma área já batizada como "straintronics". Durante esse tempo, na Universidade Rice, os pesquisadores estudam um material conhecido pelo nome "grafeno branco". Estas duas novidades apontam na mesma direção: a utilização do grafeno como material de base para substituir o silício na eletrônica de amanhã.
Straintronics, uma nova área da eletrônica.
Os pesquisadores da equipe de Michael Crommie, na Universidade de Califórnia - Berkeley e Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, fizeram crescer folhas de grafeno sobre substratos de platina à alta temperatura. O grafeno e a platina não têm a mesma estrutura cristalina e esta tem tendência a se contrair mais que o grafeno, quando do resfriamento. As contrações ocasionadas produzem dobras nas camadas de grafeno, ocasionando o aparecimento de "nanobolhas" de alguns nanômetros de diâmetro e de 2 nm de altura.
Analisando as propriedades de tais nanobolhas de grafeno, os pesquisadores se deram conta de que os elétrons estavam confinados, como se estivessem submetidos a um campo magnético intenso, experimentalmente inacessível com as técnicas atuais. Estas propriedades são devidas à deformação da estrutura hexagonal do grafeno, imposta pelas tensões - "strain", em inglês - aplicadas na folha. Este efeito das restrições, chamado pseudoefeito Hall quântico, tinha sido considerado, teoricamente, a menos de um ano, por um grupo de pesquisa do qual fazia parte Andre Geim, primeiro pesquisador a ter isolado o grafeno em 2004. A observação do fenômeno ultrapassou as expectativas dos teóricos.
O domínio da fabricação de folhas de h-BN pode levar ao desenvolvimento da eletrônica à base de grafeno. Para fabricar componentes eletrônicos, é necessário valer-se de materiais condutores, mas também de materiais isolantes. As folhas de h-BN são, então, os candidatos perfeitos para complementar as folhas de grafeno.
"O h-BN pode permitir abrir caminho para a fabricação de transistores à base de grafeno. Ou ainda, empilhando camadas de grafeno/h-BN é possível, sem dúvida, fabricar nanocondensadores", explica o Professor Ajayan. O conjunto de compostos que nascem da mistura do boro, nitrogênio e do carbono pode apresentar propriedades eletrônicas interessantes. Poucas possibilidades foram exploradas até o momento.
O nitreto de boro hexagonal possui a mesma estrutura cristalina que o grafite: um empilhamento de folhas constituído de células hexagonais. Sua cor, em compensação, é diferente e é isso que lhe dá o apelido de "grafite branco". Por analogia com o material sólido, embora sejam muito finos para apresentar quaisquer propriedades ópticas em si, os pesquisadores batizaram como "grafeno branco" as folhas de nitrato de boro hexagonal isoladas.
A eletrônica do futuro
O isolamento do grafeno em 2004 fez com que nascessem grandes esperanças na área da eletrônica. As técnicas de litografia sobre silício atingem seus limites físicos e logo não será mais possível reduzir o tamanho dos transistores fabricados com as mesmas.
Os trabalhos aqui apresentados contribuem para a pesquisa de materiais alternativos, permitindo ainda miniaturizar os componentes eletrônicos, pela utilização do "material das maravilhas" desse início do século XXI: o grafeno. O caminho ainda é longo antes do desenvolvimento industrial de circuitos à base de grafeno. Neste momento, prosseguem os trabalhos exploratórios nos laboratórios de pesquisa. Mas a pressão e os investimentos nessa área e em volta do grafeno são de tal sorte consequentes que os avanços poderão ser grandemente acelerados.
Esse filme condutor é reversível, o que dobra o número de componentes que podem ser implantados. É possível empilhar essas camadas a fim de criar circuitos eletrônicos tridimensionais.Em várias aplicações, a eletrônica flexível começa já a ter impacto significativo. As pilhas solares, os cartões bancários, as etiquetas RFID (Radio Frequency Identification), as aplicações médicas e as telas planas com matriz ativa poderão se beneficiar rapidamente dessa nova tecnologia.
Pode-se, por exemplo, imaginar - graças a essa técnica -, telas flexíveis de alta qualidade e de fraco consumo, integradas diretamente nas roupas. Outra aplicação perspectivada: micro aparelhos de foto que possuem resolução e sensibilidade dez vezes maiores que os melhores aparelhos atuais.
Uma célula solar orgânica, tipo Graetzel, foi desenvolvida pela Dai Nippon Printing Co. (DNP). Com eficiência de conversão de 7,1%, a célula é feita por impressão sobre um filme plástico.
As células solares feitas sobre filmes flexíveis têm, geralmente, uma baixa eficiência, dado que esse substrato não permite tratamentos a temperaturas muito elevadas, o que limita as possibilidades de fabricação. Além disso, é requerida uma etapa de vácuo para formar o eletrólito, o que reduz a produtividade.
Tais inovações permitirão que a DNP possa vir a fabricar estas células solares a baixo custo. Além disso, a tecnologia de impressão possibilita acrescentar cores e padrões para, por exemplo, obtenção de papéis de parede pintados, geradores de energia fotovoltaica.
As amostras deverão estar disponíveis em 2008, tendo a empresa fixado suas previsões de venda, para 2010, em cerca de 8 milhões de dólares.
Nikkei Net Interactive (http://www.nni.nikkei.co.jp), consultado em 19 de abril, 2007 (Tradução - MIA).
"O sol constitui uma fonte de energia quase ilimitada, entretanto o custo da tecnologia solar atualmente ainda é proibitivo e não pode rivalizar, usando as mesmas armas, com os combustíveis fósseis", explica Brian Korgel, engenheiro químico da Universidade do Texas, em Austin (EUA).
Até o presente, a equipe conseguiu desenvolver protótipos de células solares possuindo a capacidade de converter em eletricidade 1% da luz solar. "Se nós chegarmos a 10%, então teremos um potencial real para comercialização", declarou Korgel, igualmente co-fundador da Innovalight, uma startup californiana que produz tintas a base de silício. E completa: "se isto funcionar, penso que poderemos utilizar (esta tecnologia) dentro de três a cinco anos".
De acordo com os pesquisadores, tintas semitransparentes poderão ser incorporadas às janelas desempenhando, assim, o papel de células solares.
Enerzine (Tradução - MIA).
Os pesquisadores do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts), EUA, encontraram um meio de imprimir células solares orgânicas sobre papel, utilizando um procedimento que lembra aquele da impressão de uma impressora a jato de tinta.
O papel semicondutor é baseado em corantes à base de carbono, que fornecem às células um rendimento entre 1,5 e 2 por cento. Aliás, estando em condições de aumentar a eficiência, o novo desenvolvimento poderá revolucionar a produção e a instalação de painéis solares.
No futuro, os pesquisadores esperam que o mesmo processo possa ser utilizado para imprimir células solares sobre folha de metal ou mesmo de plástico.
Paralelamente a este assunto, Susan Hockfield, presidente do MIT e Paolo Sacaroni, presidente da empresa petroleira italiana ENI, inauguraram oficialmente o Centro de Pesquisa ENI-MIT Solar Frontiers, no qual a ENI investiu cerca de 5 milhões de dólares.O MIT concentra uma grande parte de seus esforços sobre os poços quânticos, cujos cristais não medem senão alguns nanômetros.
Conforme o diretor do ENI-MIT Solar Frontiers, Vladimir Bulovic, "se 0,3% do território dos Estados Unidos fossem cobertos com fotovoltaico com 10% de eficiência, a energia solar poderia produzir três vezes as necessidades do país, daí, a próxima transição para os veículos elétricos. Por exemplo, as bandas de sinalização sobre as estradas poderiam ser recobertas com materiais capazes de captar a energia do sol".
Andar para recarregar seu celular e respirar para alimentar seu marca-passo? Isto é o que propõem engenheiros americanos. Flexível e piezoelétrica, sua invenção converte a energia mecânica, portanto o movimento, em eletricidade.
Os pesquisadores da Universidade de Princeton (EUA) conseguiram criar uma lâmina aliando a flexibilidade do silicone e o poderoso efeito piezoelétrico do titano-zirconato de chumbo, ou mais simplesmente PZT.
O PZT é uma cerâmica que converte 80% da energia mecânica que ela recebe quando é deformada em energia elétrica, um rendimento excepcional para um material piezoelétrico. Como o corpo gasta pouca energia quando de seus movimentos, é importante que essa taxa de conversão seja elevada. "O PZT é 100 vezes mais eficiente que o quartzo, um outro material piezoelétrico", sublinha Michael McAlpine, engenheiro mecânico de Princeton.
O silicone tem igualmente a vantagem de ser flexível. O exército americano já havia testado materiais piezoelétricos incluídos nos calçados para gerar eletricidade, mas os soldados se queixavam de dores nos pés. Os cristais e polímeros utilizados eram muito rígidos.
Da flexibilidade...
A idéia é, portanto, tornar flexíveis os materiais piezoelétricos. Ora, se são cristais, logo rígidos, e sua temperatura de cristalização elevada, são incompatíveis com as matrizes de plástico ou látex.
Sua biocompatibilidade - ou seja, sua ausência de efeito nocivo para o organismo e ausência de reação de rejeição -, permitirá, por exemplo, implantar esse gerador próximo dos pulmões para alimentar um marca-passo. O simples movimento da caixa torácica quando da respiração poderá, então, ser suficiente para gerar a corrente elétrica necessária.
Futura Sciences (Tradução - MIA).
que o professor Oswaldo Alves, do Instituto de Química (IQ) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), se refere à inusitada figura que apa-receu em um experimento e foi identificada por meio de um microscópio eletrônico de transmissão. Coordenador do Laboratório de Química do Estado Sólido (LQES) e vice-coordenador do Instituto Nacional de Ciência, Tecnologia e Inovação em Materiais Complexos Funcionais, Alves viu as imagens dos ratinhos depois de preparar em uma autoclave nanofios de vanadato de prata (AgVO3) decorados com nanopartículas de prata, uma nanoestrutura com ação antibacteriana quando incorporada a vários materiais como plásticos, tecidos e tintas. Um close em uma parte do nanofio revelou a imagem de Mickey Mouse, famoso personagem de Walt Disney. “Um deles estava direcionado para a frente e permitiu uma melhor visualização, mas existem outros envolvendo nanopartículas de prata”, diz Alves. O nano Mickey se perfila ao lado de outras nanofiguras que se formam espontaneamente como os nanotubos ou são construídas por pesquisadores como nanopinças, nanorrádios, nanocarros e nanosseringas. “A diferença é que a fama do Mickey pode contribuir para popularizar a nanotecnologia, especialmente entre as crianças”, diz Alves, que contou no experimento com o aluno de doutorado Raphael Dias Holtz e com o professor visitante Antônio Gomes de Souza, da Universidade Federal do Ceará, ambos financiados pela FAPESP. Para a ciência, segundo Alves, a figura do rato famoso faz surgir novas perguntas. “Ela nos traz algumas questões inerentes à nanoescala: é o nanomundo imitando o macromundo ou o macromundo que imita o nanomundo? O Mickey é uma imagem acidental? Como podemos controlar e entender essa auto-organização? Nós conhecemos muito pouco sobre os mecanismos que levam à formação desses sistemas. O que sabemos é que repetindo o experimento o Mickey aparece. Isso é importante porque a reprodutibilidade pode levar à fabricação controlada de sistemas complexos.” Para o professor Oswaldo Alves, o aparecimento do Mickey é no mínimo curioso e parece anunciar a chegada de sistemas de nanoestruturas e sistemas de nano-objetos. “Ciência e arte estão novamente de mãos dadas.”
