Estudo demonstra que as bordas
deste material apresentam características inesperadas e pode contribuir para a
otimização de futuros dispositivos tecnológicos. Pesquisadores pertencem ao
Mackenzie, Unesp, Unicamp, UFMG e Universidade Nacional de Singapura
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A
imagem em dourado, mostra o fino cristal de fósforo negro
estudado. Sobre o cristal é mostrada, na forma de uma escala de cores, a
intensidade de vibrações atômicas com características não esperadas (o azul
escuro representa menor intensidade, e o vermelho maior intensidade).
Observa-se que essas vibrações não usuais se concentram nas bordas do
cristal, dando-as características peculiares.
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O periódico científico
internacional Nature Communications, do importante grupo editorial Nature
Publishing Group, publicou no último dia 14 de julho um artigo que reúne
diversos grupos brasileiros e que relata novas pesquisas sobre o fósforo
negro – um nanomaterial que consiste no empilhamento de folhas
bidimensionais de fósforo. Com a participação do Prof. Dr. Christiano J. S. de
Matos, pesquisador do MackGraphe – Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno,
Nanomateriais e Nanotecnologias da Universidade Presbiteriana Mackenzie, e de
mais oito especialistas no assunto pertencentes ao próprio MackGraphe e às
universidades Unesp, Unicamp, UFMG e Universidade Nacional de Singapura, o
estudo desvenda uma propriedade antes desconhecida do fósforo negro e poderá
contribuir para o desenvolvimento de nanodispositivos de alto desempenho.
Desde o isolamento do grafeno,
em 2004, e da demonstração de seu potencial para aplicações eletrônicas e
optoeletrônicas, muitos pesquisadores se concentraram em descobrir outros
nanomateriais com espessuras de poucos átomos, com propriedades semelhantes ou
complementares. O último a aderir a este clube seleto de alta tecnologia é o
fósforo negro.
Descoberto em 1914, o material
não é encontrado na natureza e foi pouco estudado ao longo do primeiro século
pós-descoberta. O interesse nele, no entanto, explodiu em 2014, quando foi
demonstrado que o método da exfoliação mecânica com uma fita adesiva (o mesmo
utilizado para se isolar o grafeno pela primeira vez) podia ser utilizado para
se obter fosforo negro com espessuras de poucos átomos.
Diferente do grafeno, uma
única folha de fósforo negro, conhecida como fosforeno, apresenta uma estrutura
“sanfonada” (ver quadro abaixo). Também diferente do grafeno (que é um
excelente condutor), o fosforeno é um semicondutor, um tipo de material com
importantes aplicações eletrônicas. Além disso, as características eletrônicas
do fósforo negro dependem fortemente do número de camadas deste material.
De acordo com o professor
Christiano de Matos, essas características fazem do fósforo negro um material
extremamente promissor para futuras aplicações eletrônicas e optoeletrônicas,
por exemplo em transistores, desempenhando as funções lógicas necessárias em
sistemas digitais; em detectores de luz, transformando energia luminosa em
corrente elétrica em sistemas de comunicações ópticas (fibra óptica) ou em
células fotovoltaicas; e em novos emissores de luz para as comunicações
ópticas. Desta forma grafeno e fósforo negro são complementares, e não
concorrentes, em termos de uso e aplicação, podendo inclusive ser utilizados em
conjunto.
O estudo recém-publicado é
pioneiro por ser o primeiro a identificar, através de técnicas computacionais e
de laboratório, que as vibrações atômicas deste material apresentam um
comportamento não esperado e diferente daquelas observadas longe das bordas. O
estudo mostra, ainda, que este comportamento, não observado em grafeno, é
consequência da distorção da rede cristalina próximo às bordas. Como as
vibrações atômicas de um material estão relacionadas à geração e dissipação de
calor, o estudo contribuirá para um melhor entendimento de como o calor é
dissipado neste novo material, o que será de grande importância para a
otimização de nanodispositivos eletrônicos e optoeletrônicos baseados em
fósforo negro.
A parte experimental da
pesquisa foi realizada no MackGraphe utilizando-se a técnica de espectroscopia Raman,
capaz de analisar com precisão as propriedades atômicas e moleculares dos
materiais. O MackGraphe possui um dos espectrômetros Raman mais modernos do
país. Adquirido com recursos da FAPESP, o equipamento apresenta altíssima
sensibilidade e a capacidade de realizar análises extensas em alta
velocidade.
As folhas de papel, com o desenho
de átomos organizados em uma estrutura semelhante à de favos de mel, ilustra as
diferenças geométricas entre grafeno e o fosforeno (uma única camada de fósforo
negro). No grafeno (esquerda) os átomos de carbono estão todos no mesmo plano,
formando uma folha esticada. No fosforeno (direita) a folha de átomos de
fósforo tem uma estrutura sanfonada, como se tivesse sido dobrada como um
origami, dando características anisotrópicas ao material.
Sobre o Mackenzie
A Universidade Presbiteriana
Mackenzie está entre as 100 melhores instituições de ensino da América Latina,
segundo a pesquisa QS Quacquarelli Symonds University Rankings, uma
organização internacional de pesquisa educacional, que avalia o desempenho de
instituições de ensino médio, superior e pós-graduação.
Sobre o MackGraphe
O MackGraphe – Centro de
Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias – foi criado em
2013 e teve seu novo edifício inaugurado em março de 2016. É o maior centro de
pesquisas aplicadas em grafeno e nanomateriais do país e insere o Brasil no
mapa da inovação. O MackGraphe conta com setores específicos para estudo e
manejo de nanomateriais, visando a aplicações em três segmentos: Fotônica,
Energia e Compósitos.
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