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Material chamado grafeno desponta como candidato ao lugar do silício

Tópico em 'Ciência & Tecnologia' iniciado por RSS, 22 Ago 2006.

  1. RSS

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    CLAUDIO ANGELO
    Editor de Ciência
    da Folha de S.Paulo

    Pergunte ao físico André Geim o que o levou a criar o grafeno, uma nova forma de carbono descoberta há apenas dois anos e que já promete revolucionar a microeletrônica. Sem um pingo de constrangimento, o diretor do Centro de Nanotecnologia da Universidade de Manchester, no Reino Unido, responderá: despeito.
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    (21/08/2006 - 09h06)

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  2. Fúria da cidade

    Fúria da cidade ㅤㅤ ㅤㅤ ㅤㅤ

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    Mônica Matsumoto
    20/09/2018 04h00
    Por: Luiz Gustavo Pimenta Martins

    Você provavelmente já deve ter ouvido falar do grafeno. O grafeno é o material mais fino que existe, tendo apenas um átomo de espessura, sendo formado por átomos de carbono fortemente ligados uns aos outros.

    O curioso é que mesmo tendo um átomo de espessura é possível enxergá-lo a olho nu (confira a figura abaixo)! Essa é apenas uma, da longa lista de peculiaridades desse material. O grafeno já tem sido utilizado em diversas áreas como em telas touch screen flexíveis, células solares, sequenciamento de DNA, reforço em asas de avião e na dessalinização da água do mar. Ele é também o material mais forte, mais elástico, mais impermeável e o que melhor conduz calor e eletricidade. Essa última característica se deve principalmente ao fato de os elétrons no grafeno se comportarem, sob algumas condições, como se não tivessem massa, assim como os fótons – partículas elementares que compõem a luz- alcançando assim velocidades altíssimas.

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    Figura: Monocamada de grafeno (coloração acinzentada) sob um substrato de Teflon. Mesmo absorvendo pouca luz, cerca de 2.3%, ainda assim é possível percebê-lo pelo contraste com o substrato branco. Fonte: Luiz Martins.

    Todas essas características do grafeno só podem ser explicadas por meio de uma das teorias mais bem sucedidas da história da ciência: a mecânica quântica. A mecânica quântica se propõe a explicar o comportamento do mundo diminuto dos átomos, moléculas e partículas subatômicas. E ela é a principal ferramenta que os cientistas usam para tentar entender como os elétrons e outras partículas se comportam nos materiais e assim prever quais as propriedades resultantes.

    Esse entendimento é essencial para que a gente possa utilizar todas as potencialidades desses materiais, tanto para aplicações tecnológicas quanto para o avanço da fronteira do conhecimento. Por exemplo, desde sua descoberta em 2004, o grafeno tem sido cotado como possível substituto do silício na eletrônica atual. Porém existem alguns entraves para que isso aconteça, e um dos principais é o fato de o grafeno não ter "gap". O gap é uma propriedade de certos materiais, (chamados semicondutores), que nos permite ''ligar'' e ''desligar'' a condutividade elétrica desses materiais. De uma maneira simplificada, ele é a energia que se deve fornecer aos elétrons nos semicondutores para que ele passe de um estado onde corrente elétrica não flui para um estado onde corrente elétrica flui. Isso é importante para podermos criar os valores binários (0-não passa corrente e 1-passa corrente), que são a base da computação, por meio do fornecimento ou não dessa energia extra em dispositivos chamados transistores.

    Aí entra a pesquisa básica: fundamentando-se em mecânica quântica, cientistas vêm desenvolvendo mecanismos diferentes de se gerar e controlar o tamanho do gap no grafeno para que ele possa desenvolver todo o seu
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    . Com isso teremos computadores mais rápidos e que consomem energia mais eficientemente.

    O grafeno não é o único nessa lista de
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    , que só vem aumentando. Tomemos como exemplo os metais de transição dicalcogenados (TMDs em inglês). Esses materiais têm uma propriedade bastante interessante, mas antes de explica-la vamos relembrar o conceito de spin. O spin pode ser entendido como o sentido em que o elétron gira, (na verdade não é bem assim, mas vamos lá…). Na imensa maioria dos materiais, os elétrons têm spins aleatórios e em uma corrente elétrica não é possível selecionar elétrons de um determinado spin. No caso dos TMDs, se esses materiais forem iluminados com uma luz circularmente polarizada (em que o campo elétrico da luz gira em um sentido específico), essa luz será absorvida somente por elétrons com um determinado tipo de spin. Em outras palavras, é possível selecionar o spin do elétron apenas usando luz. Lembra do gap? Os TMDs têm gap, e usando essa luz polarizada com a energia do gap podemos gerar uma corrente elétrica, com o diferencial de os elétrons nessa corrente terem todos o mesmo spin. Tal corrente é chamada spin-polarizada, e seu potencial tem sido enormemente explorado em spintrônica, uma área que pretende usar o spin do elétron, além de sua carga, para processar informação. A ideia por trás é que, de acordo com a mecânica quântica, o spin pode estar em uma superposição de estados, e isso pode ser explorado para que a informação seja processada de uma maneira mais eficiente e segura.

    Existem ainda os materiais que são previstos por teoria mas ainda não foram descobertos, como é o caso do hidrogênio metálico. O hidrogênio como conhecemos se encontra na forma gasosa, porém sob pressões altíssimas, da ordem da pressão no centro da terra (ainda sim possíveis de se atingir em laboratório!), ele é previsto a se transformar em um metal. E o mais surpreendente: um supercondutor a temperatura ambiente. Um supercondutor é um material em que os elétrons fluem sem nenhuma resistência. Mas isso geralmente requer temperaturas baixíssimas, muitas vezes próximas ao zero absoluto, com poucas aplicações práticas. Um supercondutor a temperatura ambiente iria provocar uma verdadeira revolução tecnológica, com a possibilidade de transmissão de energia praticamente sem perdas. Em janeiro de 2017, pesquisadores de Harvard dizem ter observado a sua formação, porém esse resultado foi bastante contestado na comunidade científica.

    A lista de materiais "quânticos" ainda inclui os isolantes topológicos (materiais que são isolantes em seu interior e condutores na superfície), os pontos quânticos (agregados de átomos que se comportam como um só grande átomo) e por aí vai. O entendimento desses materiais e suas possíveis aplicações tecnológicas estão intimamente atrelados a mecânica quântica, e eles têm uma presença cada vez maior no nosso cotidiano.

    Sobre o autor: Luiz Gustavo Pimenta Martins é doutorando no Departamento de Física do Massachusetts Institute of Technology (MIT) nos Estados Unidos. Tem graduação em Engenharia Química e mestrado em Física pela UFMG. Sua pesquisa é focada em optoeletrônica de TMDs e descoberta de novos materiais bidimensionais através de altas pressões.
     

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