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Jun 16, 2023

Grafeno: a perfeição é fútil

Nada no mundo é perfeito. Isto também é verdade na pesquisa de materiais. Em simulações computacionais, muitas vezes representamos um sistema de uma forma altamente idealizada; por exemplo, calcula-se as propriedades

Nada no mundo é perfeito. Isto também é verdade na pesquisa de materiais. Em simulações computacionais, muitas vezes representamos um sistema de uma forma altamente idealizada; por exemplo, calculam-se as propriedades que teria um cristal absolutamente perfeito. Na prática, porém, temos sempre de lidar com efeitos adicionais – com defeitos na estrutura cristalina, com partículas adicionais que se ligam ao material, com interações complicadas entre as partículas. A questão crucial é, portanto: Será que estes efeitos adicionais inevitáveis ​​alteram ou não as propriedades do material?

Isto é particularmente interessante no caso do material bidimensional grafeno, que consiste em apenas uma única camada de átomos de carbono. Há muito se sabe que o grafeno possui excelentes propriedades eletrônicas. No entanto, não estava claro até agora quão estáveis ​​são essas propriedades. São destruídos por perturbações e efeitos adicionais, inevitáveis ​​na prática, ou permanecem intactos? TU Viena (Viena)agora conseguiu no desenvolvimento de um modelo computacional abrangente de estruturas realistas de grafeno. Descobriu-se que os efeitos desejados são muito estáveis. Mesmo peças de grafeno que não são perfeitas podem ser bem utilizadas para aplicações tecnológicas. Esta é uma boa notícia para a comunidade global do grafeno.

“Calculamos em escala atômica como a corrente elétrica se propaga em um pequeno pedaço de grafeno”, diz o professor Florian Libisch, do Instituto de Física Teórica da TU Wien. "Existem diferentes maneiras pelas quais um elétron pode se mover através do material. De acordo com as regras da física quântica, ele não precisa escolher um desses caminhos; o elétron pode seguir vários caminhos ao mesmo tempo."

Esses diferentes caminhos podem então se sobrepor de maneiras diferentes. Em valores de energia muito específicos, os caminhos se anulam; com essa energia, a probabilidade de os elétrons passarem pela peça de grafeno é muito baixa e a corrente elétrica é mínima. Isso é chamado de “interferência destrutiva”.

“O fato de o fluxo de corrente diminuir drasticamente em valores de energia muito específicos por razões físicas quânticas é um efeito altamente desejável tecnologicamente”, explica Libisch. “Isso pode ser usado, por exemplo, para processar informações em uma escala minúscula, semelhante ao que os componentes eletrônicos fazem nos chips de computador”.

Também podemos usá-lo para desenvolver novos sensores quânticos: suponhamos que um pedaço de grafeno praticamente não conduz corrente alguma. Então, de repente, uma molécula externa se liga à superfície do grafeno. “Esta molécula altera um pouquinho as propriedades eletrônicas do pedaço de grafeno, e isso já pode ser suficiente para aumentar repentinamente o fluxo de corrente de forma bastante drástica”, diz o Dr. "Isso poderia ser usado para fazer sensores extremamente sensíveis."

Mas os efeitos físicos que desempenham um papel nos detalhes são muito complicados: “O tamanho e a forma da peça de grafeno nem sempre são os mesmos, e existem interações de muitos corpos entre vários elétrons que são muito difíceis de calcular matematicamente. Em alguns lugares, há átomos extras indesejados, e os átomos sempre oscilam um pouco - tudo isso deve ser levado em consideração para poder descrever o material grafeno de uma forma verdadeiramente realista", diz o Dr. Angelo Valli.

Isto é exatamente o que foi alcançado agora na TU Wien: Valli, Stadler, Thomas Fabian e Libisch têm anos de experiência na descrição correta de diferentes efeitos em materiais em modelos de computador. Ao combinar seus conhecimentos, eles conseguiram desenvolver um modelo computacional abrangente que inclui todas as fontes de erro relevantes e efeitos de perturbação que existem nos gráficos. E ao fazê-lo, conseguiram mostrar: Mesmo na presença destas fontes de erro, os efeitos desejados ainda são visíveis. Ainda é possível encontrar uma certa energia na qual a corrente flui apenas numa extensão muito pequena devido a efeitos quânticos. Experimentos já haviam mostrado que isso é plausível, mas faltava até agora uma investigação teórica sistemática.