Grafeno: até os defeitos são belos e funcionais

Defeito ou virtude?

O grafeno parece cada vez mais fazer por merecer o apelido de "material-maravilha" que lhe tem sido dado desde a sua descoberta, em 2004.

Além de propriedades imbatíveis quando puro, o grafeno apresenta alguns defeitos que bem poderiam ser chamados de virtudes: isto porque os próprios defeitos dão ao material novas funcionalidades.

Os defeitos surgem quando a estrutura atômica dessa folha unidimensional de carbono não se estrutura exatamente em uma rede hexagonal.

Por exemplo, quando o defeito se espalha ao longo da folha de grafeno, cria-se uma espécie de fio metálico unidimensional, capaz de conduzir corrente elétrica por vias bem determinadas, permitindo a criação de componentes eletrônicos com a espessura de um átomo.

Flores de grafeno

Uma equipe do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST), dos Estados Unidos agora descobriu que esses defeitos podem também ser complexos, formando estruturas parecidas com flores.

Os pesquisadores verificaram que os arranjos atômicos "defeituosos" levam à criação de sete estruturas diferentes, que tanto podem ocorrer naturalmente quanto serem induzidas no processo de fabricação do grafeno.

"Conforme o grafeno se forma sob alta temperatura, seções da rede atômica podem se soltar e girar", explica Eric Cockayne, coordenador do experimento. "Quando o grafeno esfria, esses seções rotacionadas ligam-se novamente com a rede, mas de forma irregular."

É quase como se um pedaço do grafeno fosse cortado com um tesoura, girado no sentido horário, e novamente costurado de volta no mesmo lugar. Como o remendo não se encaixa perfeitamente, formam-se belas "flores" no meio da cansativa tela de galinheiro original.

Bordas do grafeno

E cortar o grafeno pode ser uma técnica muito prática para estudar as funcionalidades que essas "ligações cruzadas" entre os átomos induzem no material.

Cientistas da Universidade de Berkeley, nos Estados Unidos, descobriram isso ao estudar as bordas do grafeno.

Dependendo do ângulo em que a folha de grafeno é cortada, os átomos compõem uma borda com um recorte diferente.

E isso é suficiente para que a fita resultante tenha propriedades eletrônicas, magnéticas e ópticas diferentes em comparação com a folha de grafeno como um todo - a largura da fita também influencia essas propriedades.

Magnetismo atômico

A equipe do Dr. Miguel Ugeda, da Universidade Autônoma de Madri, na Espanha, quis ir ao extremo: usando um microscópio de tunelamento, eles capturaram um único átomo de carbono no meio da tela de galinheiro, produzindo o menor defeito possível no grafeno.

O efeito foi surpreendente: a ausência de um único átomo reduziu dramaticamente a mobilidade dos elétrons e, mais importante, criou um momento magnético.

Embora o experimento tenha sido feito em alto vácuo e temperatura de 4K, os dados teóricos garantem que será possível produzir um campo magnético a temperatura ambiente.

Isto abre possibilidades em escala macro e em escala nanométrica. No primeiro caso, pode ser possível fabricar ímãs não-metálicos, flexíveis e muito baratos. No segundo, a spintrônica ganha um enorme reforço com momentos magnéticos produzidos literalmente em escala atômica, com a remoção seletiva dos átomos de carbono do grafeno.

Benção ou maldição?

Sendo o material mais forte que se conhece, a presença de defeitos poderia ser um motivo de preocupações.

Mas os cientistas do NIST argumentam que seus remendos dão flexibilidade ao material, impedindo que ele se quebre quando usado em funções estruturais.

Por outro lado, com um simples recorte sendo capaz de alterar totalmente suas propriedades, o material-maravilha parece ser suscetível demais a pequenas variações no processo produtivo, o que faz vislumbrar um caminho bastante árduo à frente.

"O otimista diz: 'Uau, veja só de quantas maneiras nós podemos controlar esses estados eletrônicos, isto pode gerar tecnologias totalmente novas!' O pessimista diz, 'Oh-oh, olha só quanta coisa pode perturbar o comportamento do grafeno'," brinca o Dr. Michael Crommie, da equipe de Berkeley.

Entre defeitos e incertezas, apenas uma coisa parece certa: os otimistas continuarão trabalhando.

Os defeitos do grafeno também estão por trás de um novo campo de pesquisas, chamado Valetrônica,

Bibliografia:

Grain boundary loops in graphene
E. Cockayne, G. Rutter, N. Guisinger, J. Crain, P. First, J. Stroscio
Physical Review Letters
May 2011
Vol.: 83, 195425 (2011)
DOI: 10.1103/PhysRevB.83.195425

Nanotubos fluorescentes simulam transparência de animal vivo

Transparência simulada

Pesquisadores da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, criaram uma nova técnica de imageamento que usa nanotubos de carbono fluorescentes para enxergar dentro do corpo de um animal vivo.

Permitindo enxergar até vários centímetros dentro do corpo de um animal de laboratório, a técnica tem um impacto direto no desenvolvimento de novos medicamentos.

Uma fase essencial nas pesquisas de novos medicamentos envolve o teste dos candidatos a fármacos em animais. E, para ver os efeitos dessas drogas é essencial ver o comportamento dos órgãos dos animais vivos.

As técnicas atuais usam contrastes que produzem imagens com profundidade na casa dos milímetros.

A nova técnica alcança vários centímetros com grande precisão - e centímetros, no caso do corpo de um camundongo, significa praticamente ter uma imagem tridimensional de todo o seu interior, quase como se ele fosse transparente.

Rastreador de medicamentos

"Nós já usamos nanotubos de carbono similares para transportar medicamentos para tratar câncer nos testes com animais de laboratório, mas é necessário saber onde o medicamento realmente chegou, certo?" explica o Dr. Hongjie Dai, coordenador da pesquisa.

"Com os nanotubos fluorescentes, nós podemos despachar os medicamentos e gerar imagens simultaneamente, em tempo real, para avaliar a precisão da droga em atingir seu alvo," explica.

Depois de injetados na corrente sanguínea, os nanotubos fluorescem sob a ação da luz de um laser de baixa potência dirigido sobre o animal. Os raios re-emitidos, na faixa do infravermelho próximo, são capturados por um sensor especial.

A vantagem em relação aos contrastes atuais está justamente nessa frequência de fluorescência. Os tecidos biológicos fluorescem naturalmente em um comprimento de onda de 900 nanômetros, que é a mesma faixa dos corantes fluorescentes orgânicos biocompatíveis.

Isso significa que a imagem gerada tem uma fluorescência de fundo, gerada pelos próprios tecidos, que torna a imagem borrada e de pouco uso quando se necessita de alta precisão.

Os nanotubos usados pela equipe fluorescem entre 1.000 e 1.400 nanômetros, praticamente eliminando esse "ruído de fundo".

Parece transparente

A imagem recebe um pós-tratamento em computador, por meio de uma técnica chamada análise de componente principal, que permite um mapeamento muito preciso dos órgãos internos do animal separando as pequenas diferenças de fluorescência entre nanotubos com diversas propriedades, que são misturados na injeção.

"Quando você olha para essas imagens, parece que o animal adquiriu uma espécie de transparência," diz Dai.

Como a medicação está agregada aos nanotubos, a imagem mostra exatamente onde o medicamento está atuando, acelerando muito as pesquisas.

Bibliografia:

Deep-tissue anatomical imaging of mice using carbon nanotube fluorophores in the second near-infrared window
Kevin Welsher, Sarah P. Sherlock, Hongjie Dai
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 108 (22) 8943-8948
DOI: 10.1073/pnas.1014501108

Cientistas descobrem super-átomo com escudo magnético

Uma equipe de cientistas da Universidade da Virgínia, nos Estados Unidos, descobriu uma nova classe de "super-átomos" com características magnéticas absolutamente incomuns.

Os super-átomos são um conjunto estável de átomos que podem imitar os diferentes elementos da tabela periódica.

Sua funcionalidade é tão promissora que os cientistas já falam em criar uma tabela periódica de super-átomos, formada por esses "elementos aglomerados".

Magnésio magnético

O novo super-átomo agora descoberto contém átomos magnetizados de magnésio, um elemento tradicionalmente considerado como não-magnético.

O caráter metálico do magnésio, juntamente com esse magnetismo implantado, tem potencial para ser usado em componentes eletrônicos moleculares para uma próxima geração de processadores mais rápidos, memórias magnéticas de maior capacidade e atécomputadores quânticos.

O magnetismo é implantado formando um aglomerado de oito átomos de magnésio e um átomo de ferro.

O super-átomo tem um momento magnético de quatro magnetons Bohr, o que é quase o dobro de um átomo de ferro em ímãs de ferro maciço. Embora a tabela periódica tenha mais de cem elementos, existem apenas nove elementos que apresentam caráter magnético em forma sólida.

Seletividade do spin

"A combinação dos atributos magnético e de condução é muito atraente. O magnésio é um bom condutor de eletricidade e, portanto, o superátomo combina os benefícios do caráter magnético juntamente com a facilidade de condução de energia através de sua camada exterior," disse ele.

Mas há algo mais no super-átomo, tão ou mais interessante do que seu magnetismo- condutividade: o elemento combinado apresenta uma seletividade quanto ao spin dos elétrons, permitir que elétrons com spins com uma orientação específica se distribuam ao redor do super-átomo.

"Uma combinação como a que nós criamos pode levar a avanços significativos na área da eletrônica molecular, onde esses dispositivos permitem que o fluxo de elétrons com a orientação de spin desejada para aplicações como os computadores quânticos. Espera-se que esses dispositivos moleculares também ajudem a tornar os dispositivos integrados mais densos," disse Jose Ulises Reveles, coautor da pesquisa.

Outra área natural de aplicação desses super-átomos e suas conchas magnéticas é na spintrônica, na qual o spin dos elétrons individuais substitui os fluxos de corrente para representar os 0s e 1s binários.

• Eletrônica molecular e spintrônica convergem em molécula orgânica

Elemento estável

"Um objetivo importante era descobrir qual a combinação de átomos levaria a uma espécie estável, já que combinamos várias unidades diferentes," conta Shiv Khanna, que coordenou a equipe.

Normalmente um átomo é mais estável quando sua camada externa de elétrons está completa e bem separada das camadas não completas, como ocorre com os gases inertes.

Khanna explica que esse fenômeno geralmente ocorre com elétrons emparelhados que são não-magnéticos, mas, neste estudo, o escudo magnético eletrônico mostrou estabilidade. Isto ocorreu porque a concha externa de elétrons do super-átomo ficou separada das camadas não totalmente preenchidas dos átomos individuais.

Em 2009, uma equipe internacional construiu um super-átomo magnético, mas usando césio, e sem as características de filtragem de spin verificadas agora.

Bibliografia:

Hund's rule in superatoms with transition metal impurities
Victor M. Medel, Jose Ulises Reveles, Shiv N. Khanna, Vikas Chauhan, Prasenjit Sen, A. Welford Castleman
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1073/pnas.1100129108