Quem precisa de grafeno? Grafite de lápis apresenta propriedades inusitadas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/11/2023

Representação artística de uma correlação quântica, em que os elétrons ganham a capacidade de se comunicarem entre si, ocorrendo em um tipo especial de grafite.
[Imagem: Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics]

Sem ângulo mágico

Se já não fosse promissor por si só, o grafeno ficou ainda mais interessante em 2018, quando pesquisadores descobriram que o grafeno pode ir de isolante a supercondutor em apenas um movimento, bastando colocar uma folha do nanomaterial de carbono sobre outra igual, e girar uma delas em cerca de 1,1º em relação à outra, uma medida ainda não totalmente compreendida, o que lhe valeu o apelido de "ângulo mágico".

Isto deu origem aos agora conhecidos materiais 2,5D e abriu campos totalmente novos de aplicação, sobretudo na "twistrônica", ou flexotrônica, toda uma família de componentes computacionais capazes de operar por causa dessa sutil angulação.

Mas parece que nem mesmo é necessário usar esse ângulo mágico: Basta empilhar cinco camadas de grafeno para que surja uma correlação entre os elétrons do material e as propriedades inusitadas apareçam.

"Nós descobrimos que o material pode ser isolante, magnético ou topológico," disse o professor Long Ju, do MIT, nos EUA. "Nós descobrimos propriedades interessantes sem nenhuma torção."

Micrografia da pentacamada de grafite, que pode ser condutora, magnética ou topológica, dependendo da intensidade da corrente elétrica.
[Imagem: Tonghang Han et al. - 10.1038/s41565-023-01520-1]

Isolante topológico

Ser isolante ou magnético sob demanda - tudo depende do fluxo de elétrons - já seria bom o suficiente, mas ser um material topológico é ainda mais especial.

Essencialmente, um material topológico permite o movimento desimpedido dos elétrons ao redor das bordas de um material, mas não pelo seu interior. Os elétrons viajam em uma direção ao longo de uma "rodovia" na borda do material, separada por uma mediana que constitui o centro do material. Assim, a borda de um material topológico é um condutor perfeito, enquanto o centro é um isolante.

Mais importante, estas propriedades topológicas são intrinsecamente "protegidas" contra interferências graças a fenômenos fundamentais, como a invariância de reversão temporal ou a simetria translacional - em termos simples, os elétrons vão percorrer o material sem qualquer interferência, seja por contato com outros materiais ou até mesmo por defeitos no próprio material. É por isso que eles têm aplicações desde a eletrônica e a spintrônica até o armazenamento e manipulação de informações quânticas e a simulação de teorias exóticas da física de altas energias.

Essas propriedades inusitadas surgem porque os elétrons se movendo dentro do material pentacamada conseguem "conversar" entre si, um fenômeno conhecido como "correlação eletrônica". A emergência dos três fenômenos diferentes (condução elétrica, magnetismo e comportamento topológico) depende do número de elétrons que permeiam o sistema.

Plataforma de testes em que as novas propriedades foram observadas.
[Imagem: Tonghang Han et al. - 10.1038/s41565-023-01520-1]

É grafite, e não grafeno

Tecnicamente, grafeno é uma camada monoatômica de grafeno. Assim, cinco camadas de grafeno empilhadas voltam a ser grafite, o mesmo material que compõe a ponta dos lápis ou serve como lubrificante - lembre-se que o grafeno foi descoberto quando os cientistas usaram uma fita adesiva para retirar uma única camada de átomos do grafite.

E essa "pentacamada de grafenos" também é diferente do pentagrafeno, uma folha monoatômica de carbono puro com uma estrutura pentagonal (5 lados), enquanto o grafeno possui uma estrutura hexagonal (6 lados).

O que não se esperava era que um simples empilhamento resultasse em algo muito maior do que a soma de suas partes. Mas é necessário que sejam precisamente cinco camadas, formando um grafite pentacamada, empilhadas em uma ordem muito precisa, conhecida como empilhamento romboédrico, ou sistema cristalino trigonal - existem mais de 10 ordens de empilhamento possíveis para cinco camadas, sendo que a romboédrica é apenas uma delas.

"Nosso trabalho estabelece o grafeno multicamadas empilhado romboedricamente como uma plataforma altamente ajustável para estudar essas novas possibilidades de física topológica e fortemente correlacionada," concluíram os pesquisadores.

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