Físicos descobrem vibrações inesperadas em nanomaterial

Resultado do estudo foi publicado dia 14 deste mês na revista Nature Communications

Um grupo de físicos brasileiros observou, pela primeira vez, em detalhes, como os átomos vibram nas bordas de um material de dimensões nanométricas feito exclusivamente a partir do elemento químico fósforo. Conhecido como fósforo negro, esse material não é encontrado na natureza. Foi sintetizado, pela primeira vez, em 1914, mas suas propriedades com potencial aplicação em nanotecnologia só começaram a ser descobertas um século mais tarde.

Em um estudo publicado no dia 14 deste mês na revista Nature Communications, a equipe coordenada pelo físico brasileiro Christiano de Matos descreve uma anomalia no padrão de vibrações que jamais havia sido observada em blocos tão diminutos de fósforo negro nem em outros materiais com dimensões nanométricas, como o grafeno, formado por uma só camada de átomos de carbono e uma das grandes promessas da nanotecnologia. “As bordas do grafeno apresentam algumas propriedades peculiares, mas as vibrações atômicas são iguais às do restante do cristal”, conta Matos, físico do Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias (MackGraphe) da Universidade Presbiteriana Mackenzie. “Observamos algo novo no fósforo negro.”

Segundo o pesquisador, por ora é difícil dizer se essas alterações na vibração podem ajudar ou atrapalhar o design de um dispositivo nanotecnológico, como um transistor ou um sensor de luz. “O que se torna claro”, diz, “é que o projeto de qualquer dispositivo terá de levar essas vibrações de borda em consideração”.

Na escala dos objetos medidos em milionésimos de milímetros (nanômetros), as vibrações atômicas estão estreitamente relacionadas a várias propriedades dos materiais, em especial, à dissipação de calor. “São as vibrações que carregam o calor de um lado para outro do material”, explica o físico.

Desde que as primeiras propriedades com potencial uso em nanotecnologia do fósforo negro começaram a ser identificadas, em 2014, o interesse dos pesquisadores de diversas áreas por esse material vem crescendo. Chamam a atenção a sua capacidade de conduzir eletricidade e, principalmente, a de emitir e absorver luz em vários comprimentos de onda, propriedade que varia segundo a espessura do cristal de fósforo negro. São essas propriedades que, de acordo com especialistas, podem tornar o seu uso mais vantajoso do que o do grafeno em nanofotônica.

Em termos estruturais, o fósforo negro é semelhante à grafite, o mesmo material usado em lápis. Tanto um quanto outro são formados por folhas de apenas um átomo de espessura empilhadas umas sobre as outras – as camadas monoatômicas de fósforo são chamadas de fosforeno, e as de carbono recebem o nome de grafeno.

Mas as propriedades especiais desses materiais aparecem sob condições distintas. A alta resistência mecânica e a boa capacidade de conduzir calor ou eletricidade do carbono aparecem principalmente quando este elemento químico está disposto em uma folha de um só átomo de espessura – ou seja, encontra-se na forma de grafeno. Já com o fósforo negro é diferente. Suas propriedades se tornam evidentes à medida que os pesquisadores esfoliam o material e chegam a uma dezena (ou até menos) de camadas empilhadas. Essa característica pode permitir controlar mais facilmente as propriedades do material simplesmente adicionando ou eliminando camadas.

As pesquisas tiveram apoio da Fapesp por meio dos projetos Grafeno: fotônica e optoeletrônica; Efeitos plasmônicos e não-lineares em grafeno acoplado a guias de onda ópticos; e ICTP Instituto Sul-americano para Pesquisa Fundamental: um centro regional para física teórica.

Fonte: Revista Pesquisa Fapesp

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