Materiais ultrafinos como o grafeno prometem uma revolução na nanociência e tecnologia. Pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, publicaram um estudo na Nature Communications no qual apresentam um método para controlar as bordas de materiais bidimensionais.

"Nosso método torna possível controlar as bordas, átomo por átomo, de uma forma fácil e escalonável, usando apenas aquecimento com produtos químicos ecológicos, como o peróxido de hidrogênio", diz Battulga Munkhbat, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física da Chalmers University of Technology e primeiro autor do artigo.

Materiais tão finos quanto uma única camada atômica são conhecidos como materiais bidimensionais ou 2D. O exemplo mais conhecido é o grafeno. Desenvolvimentos futuros dentro do campo bidimensional podem se beneficiar do estudo de uma característica particular inerente a tais materiais, as suas bordas. Controlar as bordas é um problema científico desafiador, porque elas são importantes para caracterizar suas propriedades. Como podem existir diferenças nas propriedades físicas, pode-se esperar que as propriedades químicas das bordas também sejam diferentes.

Pesquisadores descobriram um produto químico “mágico” na forma de peróxido de hidrogênio comum. A “mágica” química opera de uma maneira chamada autolimitante, removendo material indesejado, átomo por átomo, e eventualmente resultando em bordas atomicamente nítidos.

O novo método, que inclui uma combinação de métodos litográficos padrão de cima para baixo com um novo processo que remove quimicamente camadas da superfície por meio úmido anisotrópico, torna possível criar bordas perfeitas em materiais bidimensionais.

Esses e outros materiais relacionados atraem a atenção significativa da pesquisa, pois permitem avanços cruciais na nanociência e tecnologia, com aplicações potenciais que vão desde a eletrônica quântica a novos tipos de nanodispositivos. Essas esperanças são notadas no Graphene Flagship, a maior iniciativa de pesquisa da Europa, coordenada pela Chalmers University of Technology.

Para tornar a nova tecnologia disponível para laboratórios de pesquisa e empresas de alta tecnologia, os pesquisadores fundaram uma empresa start-up que oferece materiais TMD (dichalcogenetos de metais de transição) atomicamente nitidos de alta qualidade. Os pesquisadores também planejam desenvolver aplicações para esses metamateriais atomicamente nítidos.

Um esquema de átomos de platina depositados na superfície do carbono, que é um material isolante 2-D semelhante ao grafeno desenvolvido epitaxialmente em carboneto de silício, permite o crescimento bidimensional da platina. O objetivo da pesquisa é o desenvolvimento de materiais 2-D além do grafeno.

"Em poucas palavras, conseguimos fazer uma camada de metal com apenas um átomo de espessura, uma espécie de novo material. Descobrimos que este metal atomicamente fino é muito sensível ao ambiente químico. Sua resistência elétrica muda significativamente quando interage com gases, "explica Kyung Ho Kim, pós-doutorado no Laboratório de Física de Dispositivos Quânticos do Departamento de Microtecnologia e Nanociência da Chalmers e principal autor do artigo.

"A fina camada atômica de platina pode ser usada para detecção elétrica ultrassensível e rápida de produtos químicos. Estudamos o caso da platina, mas outros metais como o paládio produzem resultados semelhantes", diz Samuel Lara Avila, professor associado do Quantum Device Laboratório de Física e um dos autores do artigo.

Com isso, os pesquisadores conseguiram detectar gases tóxicos no nível de partes por bilhão. Isso foi demonstrado com a detecção de benzeno, um composto que é cancerígeno mesmo em concentrações muito pequenas e para o qual não existe nenhum aparelho de detecção de baixo custo. Usar metais atomicamente finos pode nos levar para futuras aplicações de monitoramento da qualidade do ar.

Porém, aumentar a sensibilidade dos sensores de gás de estado sólido incorporando materiais nanoestruturados como o elemento de detecção ativo pode ser complicado por efeitos nas interfaces, que pode limitar a leitura do sensor.

Este trabalho relata a preparação de camadas de platina na espessura de um átomo, por deposição física a vapor sobre a camada de carbono zero (também conhecida como camada tampão) crescida epitaxialmente em carboneto de silício. Com uma camada fina de Pt de 3–4 Å, a condutividade elétrica do metal é fortemente modulada ao interagir com analitos químicos.

Os resultados foram publicados recentemente na revista científica Advanced Material Interfaces.

Muitos problemas são resolvidos baseados nos mecanismos da natureza. Foi desenvolvido um revestimento anti-reflexo que foi inspirado nas bioestruturas peculiares encontradas nos olhos de mariposas.

As mariposas evoluíram para desenvolver olhos não reflexivos. Seus olhos têm uma estrutura nanométrica que torna a superfície do olho graduada. Isso faz com que a maior parte da luz incidente se curve na superfície e, portanto, seja transmitida através do olho ao invés de ser refletida por ele. Esta estrutura em nanoescala é tão eficaz que pesquisadores tentaram imitá-la usando outros materiais para criar revestimentos anti-reflexos com vários graus.

No entanto, apesar dos avanços recentes da nanociência que permitem a adoção dessa ideia para diversas aplicações, ainda existem barreiras a serem superadas em termos de escala e custo. Para resolver esses problemas, cientistas da Universidade de Ciência de Tóquio e da Geomatec Co., Ltd., no Japão, têm trabalhado em uma nova estratégia para produzir nanoestruturas olho-de-mariposa e filmes transparentes.

Embora esta equipe já tivesse criado moldes de olho-de-mariposa feitos de carbono vítreo gravado com um feixe de íons de oxigênio, essa abordagem não era escalável. "A produção de substratos de carbono vítreo requer o uso de tecnologia de metalurgia do pó, que é difícil de se usar para produzir moldes com uma grande área", explica o professor Jun Taniguchi da Universidade de Ciência de Tóquio, "Para superar essa limitação, tentamos usar apenas uma camada fina de carbono vítreo depositado sobre um grande substrato de vidro regular."

Para tornar esta nova estratégia viável, a equipe optou por usar um sistema de plasma acoplado indutivamente (ICP). Essa tecnologia produz uma faixa de irradiação de feixe de íons mais ampla, que é mais adequada para trabalhar em estruturas de grandes áreas.

As propriedades ópticas destes filmes foram notáveis: sua refletância para a luz na faixa visível era de apenas 0,4%, 10 vezes menor do que a de um filme semelhante sem a nanoestrutura do olho-de-mariposa. Além do mais, a transmissão da luz através do material também foi aumentada.

O Sr. Hiroyuki Sugawara, diretor técnico da Geomatec, destaca as muitas aplicações possíveis destes filmes. "Poderíamos usar esses filmes para melhorar a visibilidade em monitores de tela plana, sinais digitais, e as placas de acrílico transparente usadas em todos os lugares desde o início da pandemia de COVID-19. Além disso, o revestimento anti-reflexo também pode ser uma forma eficiente de melhorar o desempenho dos painéis solares."

Este estudo mostra como expandir o uso de estruturas inspiradas na natureza. Esses avanços também podem ajudar a preservar a natureza para que possamos continuar obtendo ideias úteis de outras espécies.