Do Grafeno ao Goldene: Materiais Avançados de Camada de Átomo Único Abrem Novas Portas para Descobertas Futuras

Nenhum de nós tem dúvidas sobre o valor do ouro em nossas mentes. Afinal, ele é o depósito de valor mais popular e antigo. No entanto, os avanços científicos realizados pela civilização humana nos levaram agora à porta do Goldene. E isso pode ser, no mínimo, um divisor de águas. Mas o que é o Goldene? Por que a comunidade científica está tão empolgada com ele? Vamos nos aprofundar.

Goldene: Sheets of Gold that is Only a Single Atom Layer Thick

Pela primeira vez, pesquisadores da Linköping University, Suécia, criaram folhas de ouro cuja espessura equivale a uma única camada de átomos. Os pesquisadores nomearam essa derivação de Goldene. O Goldene pode ser útil para uma série de tarefas sofisticadas, incluindo a conversão de dióxido de carbono, produção de hidrogênio e a produção de produtos químicos de valor agregado. 

De acordo com Shun Kashiwaya, pesquisador da Divisão de Design de Materiais da Universidade:

“Se você tornar um material extremamente fino, algo extraordinário acontece – como no caso do grafeno. O mesmo acontece com o ouro. Como você sabe, o ouro costuma ser um metal, mas se a espessura for de uma única camada de átomos, o ouro pode se tornar um semicondutor.”

How Was ‘Goldene’ Created?

A invenção começou com o desenvolvimento de um material base tridimensional criado ao incorporar ouro entre camadas de titânio e carbono. Em altas temperaturas, o silício finamente laminado do Carbeto de Silício de Titânio foi substituído por ouro, levando à descoberta do Carbeto de Titânio e Ouro. No entanto, foi uma descoberta acidental. Os pesquisadores pretendiam revestir o carbeto de silício de titânio, que é eletricamente condutor, com ouro para que pudesse fazer contato.  

Para realizar seu trabalho, os pesquisadores utilizaram um método tradicional que faz parte da arte de forjamento japonesa há mais de cem anos. O componente é chamado reagente de Murakami. Os pesquisadores o usaram em diferentes concentrações e por diferentes períodos de tempo para, finalmente, alcançar o componente. 

Embora eles finalmente tenham conseguido produzir as folhas de ouro na espessura desejada de um único átomo, era crucial torná‑las estáveis. Eles usaram um tensoativo, uma molécula longa para separar e estabilizar as folhas, como surfactante para garantir que as folhas não se curvem. 

Ao descrever o resultado final e sua validação científica, Shun Kashiwaya, um dos pesquisadores, disse o seguinte:

“As folhas douradas estão em uma solução, um pouco como flocos de milho no leite. Usando um tipo de ‘peneira’, podemos coletar o ouro e examiná‑lo com um microscópio eletrônico para confirmar que tivemos sucesso. O que tivemos.”

The Many Potential Applications of Goldene

As aplicações potenciais do Goldene abrangem uma ampla gama de áreas, incluindo conversão de dióxido de carbono, catálise geradora de hidrogênio, produção seletiva de produtos químicos de valor agregado, produção de hidrogênio, purificação de água, comunicação e muito mais.

No acompanhamento subsequente, os pesquisadores planejam explorar a possibilidade de reduzir a quantidade de ouro usada nessas aplicações e substituir o ouro por outros metais nobres. Esses novos compostos podem ter muitas outras aplicações. 

Embora o Goldene prometa abrir muitas novas portas em termos de suas aplicações científicas e tecnológicas, o fascínio da comunidade científica por materiais de camada de átomo único não é novo. 

The Curious Case of Single-Layer Atom Materials: Graphene and More

Sempre que falamos sobre materiais de camada única de átomos, necessariamente discutimos o Grafeno. Ele é popular porque seu potencial. Extraído do grafite, forma cristalina do carbono, o grafeno é leve, elástico e resistente. Além de sua finura, possui alta resistência, 200 vezes maior que o aço. Ainda assim, é cinco vezes mais leve que o alumínio. Também tem capacidade de absorção de luz e alta condutividade elétrica e térmica.  

O grafeno tem sido mais discutido nos últimos dias devido a uma descoberta recente em que os pesquisadores conseguiram demonstrar o primeiro semicondutor de grafeno funcional. Essa descoberta pode levar a mudanças dramáticas no mundo da computação e da eletrônica. 

Embora o grafeno possa ser o material de camada única de átomo mais popular e amplamente aplicável, há vários outros exemplos na categoria. 

Materiais de átomo de camada única também são conhecidos como materiais 2D não laminados. Eles recebem esse nome porque sua formação ocorre por ligação química em três dimensões (3D), resultando em ligações pendentes insaturadas na superfície e induzindo uma superfície de alta atividade e alta energia. 

Além do grafeno, um exemplo de tal material de camada única é o fósforo negro, conhecido como fosforeno. Entre outros materiais não laminados, temos exemplos de siliceno e germânio. 

Devido às suas propriedades dependentes da camada, efeitos de borda da camada e estruturas de banda variáveis, esses materiais frequentemente exibem um conjunto único de propriedades nas suas bordas. Eles podem ser modificados por tensão ou campos elétricos aplicados, o que também lhes confere propriedades de ajuste. 

Sais de calcogenetos metálicos, óxidos metálicos, semicondutores III-V e perovskitas orgânico‑inorgânicas estão entre alguns dos materiais de camada única de átomo ou bidimensionais não laminados mais comuns. 

Vamos dar uma breve olhada em alguns exemplos da vida real desses materiais. Exemplos de calcogenetos metálicos incluem dissulfeto de molibdênio (MoS2), dissulfeto de tungstênio (WS2) e diseleneto de tungstênio (WSe2), enquanto óxido de índio (In2O3), óxido de estanho (SnO2) e óxido de zinco (ZnO) são exemplos principais de óxidos metálicos. 

Os semicondutores III-V recebem esse nome porque compreendem um elemento do grupo III, como alumínio, gálio ou índio, ligado a um elemento do grupo V, como fósforo, arsênio ou antimônio. Gálio Arseniato e Índio Fosfato são exemplos de semicondutores III-V. 

Exemplos de perovskitas orgânico‑inorgânicas incluem iodeto de chumbo metilamônio (MAPbI3) e iodeto de chumbo formamidínio (FAPbI3).

Esses materiais podem encontrar várias aplicações. Existem empresas construindo soluções sobre eles. No segmento seguinte, vamos analisá‑los. 

#1. Haydale Graphene Industries

A natureza inerte do grafeno dificultava sua adoção. Haydale Graphene Industries, para solucionar o problema, desenvolveu um processo de pó‑in, pó‑out que poderia superar perfeitamente essa questão de funcionalização por plasma. 

Esse processo, que poderia liberar o potencial do grafeno, ficou conhecido como Haydale HDPlas, um método seco, limpo e ambientalmente saudável que pode melhorar o grafeno e outros nanomateriais ao conferir-lhes a resistência mecânica necessária e maior condutividade elétrica e térmica. 

A Haydale desenvolveu muitas soluções interessantes baseadas em grafeno, incluindo uma variedade de tintas de grafeno personalizáveis para dispositivos biomédicos, eletrônicos flexíveis, elementos de aquecimento e tecnologia vestível. Também fornece nitreto de boro funcionalizado, conhecido como grafeno branco. Esse material cerâmico sintético é não tóxico e pode ser encontrado em forma sólida e em pó. Algumas de suas propriedades incluem isolamento, resistência, peso e condutividade elétrica. 

O portfólio da Haydale de grafeno funcionalizado e aditivos de nanomateriais também se mostra eficaz na fabricação de produtos de elastômero. Eles podem ser usados em pneus de bicicleta e de estrada de borracha, solas de calçados de borracha, vedações e juntas. Os produtos de grafeno de carbeto de silício da Haydale são usados no tratamento de superfície cerâmica‑polímero para proteger produtos de concreto. 

Usando grafeno, a Haydale também desenvolveu compósitos úteis, termoplásticos e ferramentas de corte solar. 

Recentemente a Haydale (AIM: HAYD) anunciou seus resultados intermediários para o ano encerrado em 31 de dezembro de 2023 (“FY23”). Segundo o relatório, sua Receita do Grupo aumentou 38 % para £2,47 milhões (H1 FY23 £1,78 milhões).

#2. Siemens

Outro caso de uso altamente avançado para folhas de grafeno pode ser visto na construção de ciclotrons pela Siemens. Um grupo de pesquisadores utilizou folhas de grafeno como folha extratora (stripper) no ciclotron Siemens Eclipse de 11‑MeV. 

Essas folhas apresentaram condutividade térmica excepcionalmente alta em comparação ao carbono e resistência mecânica significativa. Sua vida útil foi superior a 16.000 PA*H. O uso de folhas de grafeno também resultou em um aumento significativo do fator de transmissão — a razão entre a corrente do feixe na folha stripper e a corrente no alvo — que foi superior a 90 %. 

O experimento mostrou como folhas de grafeno de camada única de átomos podem competir eficientemente com outras folhas de carbono, que normalmente são usadas como folhas stripper. 

A Siemens é conhecida mundialmente por fabricar produtos de alta tecnologia, sofisticados e intensivos em tecnologia. Uma empresa assim, usando materiais de átomo de camada única em forma de folha, demonstra o potencial da categoria. 

No FY 2023, a Siemens obteve uma receita de 19,66 bilhões de euros, um aumento notável em relação aos 17,39 bilhões de euros registrados em 2022. 

More Explorations Around Single-Atom Layer Materials

Pesquisas recentes mostraram que, além de materiais como Goldene ou Grafeno, o fósforo negro monolayer, também conhecido como fosforeno, oferece vantagens distintas em aplicações de detecção. Cientistas e pesquisadores atribuem esses benefícios únicos à estrutura de rede “ondulada” do fosforeno, que confere ao material uma maior relação superfície‑volume do que o grafeno e os dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs). O fosforeno é versátil em suas aplicações e pode ser usado em vários cenários de detecção, incluindo detecção de gases, detecção de umidade, foto‑detecção, bio‑detecção e detecção de íons.

O fosforeno também demonstra considerável potencial em eletrônica e optoeletrônica. Publicações científicas revelaram que suas propriedades eletrônicas, de transporte, optoeletrônicas, termoelétricas e mecânicas intrinsecamente anisotrópicas diferem marcadamente das do grafeno e dos dicalcogenetos de metais de transição. A facilidade de fabricação e as propriedades inovadoras do fosforeno impulsionaram o design e a demonstração de novos nanodispositivos. 

Outro estudo apontou os benefícios de combinar grafeno e fosforeno. Para aprofundar como essa combinação pode ser útil, analisamos a posição comparativa das baterias de íons de sódio como alternativa às baterias de íons de lítio. Embora as baterias de íons de sódio apresentem desempenhos comparáveis aos seus equivalentes de íons de lítio, o desafio reside em desenvolver materiais de ânodo mais viáveis. É aqui que a combinação grafeno‑fosforeno entra em cena. 

Em um experimento científico, os pesquisadores demonstraram seu potencial. Um material híbrido composto por algumas camadas de fosforeno intercaladas entre camadas de grafeno pôde apresentar uma capacidade específica de 2.440 mA h g⁻¹ (calculada usando apenas a massa de fósforo) a uma densidade de corrente de 0,05 A g⁻¹ e retenção de capacidade de 83 % após 100 ciclos, operando entre 0 e 1,5 V. 

Os pesquisadores usaram microscopia eletrônica de transmissão in situ e técnicas de difração de raios X ex situ para explicar a grande capacidade do ânodo que desenvolveram. Eles o desenvolveram por meio de um mecanismo duplo de intercalação de íons de sódio ao longo do eixo x das camadas de fosforeno, seguido pela formação de uma liga Na₃P. 

Outro material de camada única de átomo que capturou com sucesso a imaginação da comunidade científica é o germânio. O interesse no germânio está principalmente em suas propriedades ópticas. Cálculos relevantes mostraram que a folha de germânio tem absorção de luz significativa no espectro solar e apresenta anisotropia óptica. 

O germânio é único porque é um semicondutor com banda proibida zero e dispersão de banda linear ao redor do ponto K. Embora a abertura da banda proibida ocorra na presença de tensão de polarização, ela aumenta linearmente com o aumento da intensidade da tensão. 

Portanto, não apenas o goldene, mas um conjunto de materiais de camada única de átomo, incluindo grafeno, fosforeno, germânio e outros, estão prestes a abrir novas fronteiras científicas para descobertas futuras. 

Devemos manter nosso foco firme nas propriedades desses materiais. Só assim poderemos descobrir mais aplicações. Devemos lembrar que a alta atividade superficial dos materiais 2D não laminados os torna catalisadores úteis para reações cruciais, como a oxidação do dióxido de carbono e a redução da água. 

Esses materiais provaram seu valor em armazenamento e conversão de energia ao ajudar a desenvolver células de combustível e células solares. Em optoeletrônica, suas propriedades resultam na produção de diodos emissores de luz, lasers e sensores de alta qualidade. Suas propriedades de isolamento topológico também ajudam a criar isolantes que conduzem eletricidade em sua superfície, mas isolam no volume. 

No conjunto, materiais avançados de camada única de átomo são portas de entrada para uma infinidade de oportunidades. No futuro, testemunharemos certamente uma adoção generalizada! 

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