#112 Forma descoberta de carbono é prima super atômica do grafeno 06/01/23

O carbono em suas inúmeras formas há muito cativa a comunidade científica. Além de ser o principal componente de toda a vida orgânica na Terra, as formas materiais de carbono ganharam seu quinhão de descobertas. Em 1996, o Prêmio Nobel de Química foi para os descobridores do fulereno, uma estrutura superatômica simétrica de 60 átomos de carbono com a forma de uma bola de futebol; em 2010, pesquisadores que trabalhavam com uma versão ultraforte e de átomo fino de carbono, conhecida como grafeno, ganharam o Prêmio Nobel de Física.

Em um trabalho publicado na Nature, pesquisadores da Universidade da Columbia, liderados por Elena Meirzadeh, descobriram uma nova versão de carbono que fica em algum lugar entre o fulereno e o grafeno: o grafulereno. É uma nova forma bidimensional de carbono composta de camadas de fulerenos ligados, descascados em flocos ultrafinos de um cristal de grafulerita maior – assim como o grafeno é descascado de cristais de grafite (o mesmo material encontrado em lápis).

“É incrível encontrar uma nova forma de carbono no ano de 2022”, disse Nuckolls, um dos pesquisadores. “Também faz você perceber que existe toda uma família de materiais que podem ser feitos de maneira semelhante e que terão propriedades novas e incomuns como consequência da informação gravada nos blocos de construção superatômicos”.

Meirzadeh, que sintetizou os primeiros cristais de grafulerita, referiu-se ao grafulereno como o "primo" superatômico do grafeno. Ao contrário do grafeno e da maioria dos outros materiais bidimensionais que são feitos de elementos repetidos que são limitados a geometrias de ligação específicas e, como resultado, têm propriedades específicas, a estrutura superatômica do grafulereno o torna incrivelmente modular, explicou ela. Com 60 átomos de carbono na bola para trabalhar, os fulerenos podem teoricamente ser ligados de várias maneiras diferentes, cada uma das quais pode produzir diferentes propriedades eletrônicas, magnéticas e ópticas – esta primeira versão representa apenas uma configuração possível.

É uma nova maneira de pensar sobre as estruturas e suas propriedades à medida que crescem. "Por mais de 30 anos, os pesquisadores tiveram a noção de que aglomerados de átomos se comportariam de maneira diferente dos sólidos maiores que eles formam". "Aqui, estamos fazendo um sólido a partir de um superátomo de carbono existente para ver como esse tipo de organização influenciará suas propriedades. O novo material se comportaria como fulereno ou como outra coisa?"

A equipe decidiu ligar moléculas de fulerenos em vez de átomos de carbono individuais em um cristal descascável em camadas, a fim de estudar suas propriedades superatômicas em duas dimensões. Meirzadeh usou uma técnica de síntese de estado sólido de alta temperatura envolvendo um andaime de magnésio que foi posteriormente removido, foi uma etapa final ligeiramente estressante. "Como químicos, a gente tenta coisas e nem sempre sabe o que vai acontecer. Achei que ia desmoronar, mas ficou intacto", lembra. "Ver um cristal de carbono puro e intacto que poderíamos facilmente esfoliar e estudar foi uma grande surpresa."

Uma vez que o novo material foi feito, Meirzadeh enviou amostras para colaboradores na Columbia e além para imagens iniciais e caracterização. A bateria de testes revelou uma série de intrigantes propriedades elétricas, ópticas e térmicas. Como o grafeno, o grafulereno pode confinar e polarizar a luz, pode aceitar muitos elétrons extras e pode formar estruturas de superrede ajustáveis; essas propriedades o tornam um material promissor com aplicações potenciais em novos tipos de dispositivos ópticos e eletrônicos. Em comparação com os fulerenos, os cristais de grafulerita apresentam uma condutividade térmica muito maior, resultado das fortes ligações covalentes dentro de cada folha de grafulereno. A condutividade térmica ajuda a dissipar o calor, uma consideração importante ao construir dispositivos.

O trabalho é um ponto de partida para a equipe explorar o potencial do grafulereno. Do ponto de vista químico, eles planejam ajustar suas propriedades modulares e introduzir novas estruturas, enquanto os colaboradores observarão mais de perto o que acontece quando as folhas de grafulereno são combinadas com diferentes tipos de materiais bidimensionais estudados na Columbia para ver quais outros segredos o carbono esconde.

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