Grafeno, Prêmio Nobel de Física 2010

O post desta semana é muito especial. Hoje vamos falar do Grafeno, a descoberta que valeu o Prêmio Nobel de Física do ano passado (2010). Este post nada mais é do que a tradução que eu fiz do artigo que é lançado para o público sobre o prêmio nobel. O artigo fala sobre o que é, como foi descoberto e para que pode ser usado esse novo material, que promete revoluções na área da eletrônica. Como é minha primeira tradução, eu peço paciência. :) Vamos lá então...

Grafeno, um arranjo atômica perfeito...

O grafeno é uma forma de carbono, mas como material é algo completamente novo - não apenas o mais fino como o mais forte. Como condutor elétrico é tão bom como o cobre. Como condutor de calor ele supera todos os outros materiais conhecidos. É praticamente transparente mas ainda assim é tão denso que nem o hélio, o menor átomo de gás, consegue atravessá-lo.

Consequentemente, o artigo sobre o grafeno publicado na revista Science em outubro de 2004 despertou uma comoção ao redor do mundo. De um lado, as propriedades exóticas do grafeno permitiram aos cientistas testarem os fundamentos teóricos da física. De outro lado, uma vasta variedade de aplicações práticas parecem ser possíveis.

O carbono, a base de toda a vida conhecida na Terra, nos surpreendeu de novo.

Lápis, Papel e Fita Adesiva

Não poderia ter sido mais fácil obter Grafeno, o material milagroso que vem de carbono comum, como o encontrado em lápis. Entretanto, a coisa mais simples e óbvia está frequentemente escondida da nossa vista.

Grafeno consiste de átomos de carbono arranjados em uma malha plana - uma estrutura similar a um favo de mel, mas com a espessura de apensa um átomo. Na verdade, um milímetro de grafite consiste em três milhões de camadas de grafeno uma em cima da outra. As camadas estão fracamente unidas e, portanto, é relativamente fácil separá-las. Qualquer um que já tenha escrito qualquer coisa com um lápis comum já presenciou isso e é possível que apenas uma única camada de átomos, grafeno, tenha acabado sobre o papel.

Isto foi o que aconteceu quando Andre Geim e Konstantin Novoselov usaram fita adesiva para conseguir pequenos flocos de uma grande peça de grafite de uma maneira mais metódica. No começo eles conseguiram flocos compostos por várias camadas de grafeno, mas conforme foram repetindo o procedimento dez ou vinte vezes os flocos foram ficando cada vez mais finos. O próximo passo era achar minúsculos fragmentos de grafeno no meio de finas camadas de grafite e outras impurezas do carbono. Foi quando eles tiveram uma brilhante ideia: a fim de serem capazes de verem os resultados de seu trabalho meticuloso, os cientistas de Manchester decidiram fixar os flocos em uma chapa de silício oxidado, material comum de trabalho na indústria de semicondutores.

Quando a chapa é posta sob um microscópio comum é possível ver um arco-íris de cores, similar ao que é visto quando óleo é derramado na água, e assim se determina o número de camadas de grafeno em um floco. A espessura das camadas subjacentes de silício oxidado foi, por sua vez, crucial na descoberta do grafeno. Agora, sob o microscópio, o grafeno já podia ser visto. Um verdadeiro material cristalino bidimensional que existe em temperatura ambiente. O grafeno é uma rede perfeitamente regular de carbono com apenas duas dimensões, largura e comprimento. A unidade básica deste padrão consiste em seis átomos de carbono unidos quimicamente. Grafeno, assim como outras formas de carbono que conhecemos, consiste de bilhões de átomos de carbono juntos em um padrão hexagonal.

Esperando pela descoberta

O grafeno, é claro, sempre existiu. O ponto crucial era ser capaz de detectá-lo. Similarmente, outras formas naturais de carbono existiam antes dos cientistas poderem vê-las da maneira correta: primeiro os nanotubos, então as bolas ocas de carbono, fulerenos (Prêmio Nobel de Química em 1996). Preso dentro do grafite, o grafeno estava esperando para ser liberto, mas ninguém realmente pensava que isto fosse possível.

Muitos cientistas pensavam ser impossível isolar materiais tão finos: ele pensavam que o material se enrugaria, se enrolaria a temperatura ambiente ou simplesmente desapareceria. Apesar disso, algumas pessoas continuaram tentando embora todas as tentativas anteriores tivessem fracassado. Antigamente tinha sido possível obter filmes com uma espessura menor do que 100 átomos - de fato, alguns chegavam a ser tão finos que eram transparentes.

Uma maneira de obter grafeno a partir de grafite é introduzir substâncias químicas entre as camadas de átomos para enfraquecer a união entre eles e, consequentemente, separar as camadas. Outro método consiste em simplesmente arranhar as camadas de grafite. Também foi tentado, com sucesso, queimar o silício dos cristais de carboneto de silício. Em altas temperaturas finas camadas de carbono eram deixadas para trás. Diferentes técnicas de crescimento epitaxial, usada para criar vários materiais semicondutores, são mais promissores no que diz respeito a produção de grafeno para uso na indústria de eletrônicos. Rolos com 70 centímetros de folhas largas de grafeno foi o máximo produzido até agora.

Em um mundo de paradoxos

Andre Geim e Konstantin Novoselov podiam obter apenas micro flocos do novo material. Apesar do tamanho minúsculo eles podiam agora começar a investigar as duas mais memoráveis qualidades do grafeno, dos quais ambos influenciam em suas propriedades elétricas.

A primeira é a quase perfeita composição do grafeno. A ordenação sem erros se deve a uma forte delimitação dos átomos de carbono. Ao mesmo tempo, os vínculos são flexíveis o bastante para permitir que a malha aumente cerca de 20% do seu tamanho original. A malha também permite aos elétrons viajarem longas distâncias no grafeno sem sofrerem distúrbios. Em condutores normais, os elétrons geralmente se chocam como uma bola em uma máquina de pinball. Estes choques enfraquecem a performance do condutor.

A outra qualidade única do grafeno é que seus elétrons se comportam como partículas de luz, os fótons, que não possuem massa, e que no vácuo se movem sempre a 300 milhões de metros por segundo. Similarmente, os elétrons que viajam no grafeno se comportam como se não tivessem massa e se movem a uma velocidade constante de um milhão de metros por segundo. Assim seria possível estudar alguns fenômenos mais facilmente em uma escala menor, sem precisar recorrer ao uso de um grande acelerador de partículas.

O grafeno também permite aos cientistas testar alguns dos efeitos quânticos mais "fantasmagóricos", que até agora só tem sido discutidos teoricamente. Um desses fenômenos seria uma variante do tunelamento de Klein, que foi formulado pelo físico sueco Oskar Klein em 1929. O efeito de túnel na física quântica descreve como as partículas podem, algumas vezes, atravessar barreiras que normalmente as bloqueariam. Quanto mais larga a barreira, menor a chance de uma partícula quântica atravessá-la. Entretanto, isto não se aplica aos elétrons viajando no grafeno - em alguns casos eles se movem como seu não houvesse barreira alguma.

Um Mundo de Sonhos

As possíveis aplicações práticas do grafeno tem recebido uma atenção especial. Até agora, muitas delas existem apenas na nossa imaginação, mas algumas já estão sendo testadas, inclusive pelos próprios Geim e Novoselov.

A capacidade de condução do grafeno tem estimulado o interesse. Previsões dizem que os transistores de grafeno serão mais rápidos que os feitos hoje em dia com silício. Para os chips de computadores ficarem mais rápidos e mais eficientes eles tem que ser menores. O silício já atingiu uma fronteira de tamanho onde o material perde suas funções. Mas o limite do grafeno é ainda menor, logo componentes de grafeno poderão ser colocados em chips menores que os de hoje.

Foi um marco quando, alguns anos atrás, o componente mais importante, o transistor de grafeno, foi apresentado como sendo tão rápido quanto os de silício. Talvez estejamos à beira de outra miniaturização da eletrônica, que levará os computadores a serem ainda mais eficientes no futuro. Até agora, computadores de grafeno não são nada além de um sonho distante, embora monitores de um fino papel transparente que possam ser enrolados e carregados no bolso já apareçam em comerciais para os consumidores de eletrônicos do amanhã.

Entretanto nós só podemos especular sobre algumas das aplicações mais realisticas e algumas das menos, mas todas elas necessitando de iniciativa mesmo sem resultados garantidos.

Como o grafeno é praticamente transparente (algo em torno de 98%) e ao mesmo tempo bom condutor de eletricidade, seria possível fabricar telas transparentes de touch screen, painéis de luz e, talvez, até mesmo células solares. Até plástico poderia ser transformado em um condutor eletrônico se apenas 1% de grafeno fosse misturado a ele. Do mesmo jeito, misturando uma fração de uma parte de grafeno por mil de plástico, sua resistência ao calor aumentaria em 30ºC ao mesmo tempo que se tornaria mais robusto mecanicamente. Essa resiliencia poderia ser utilizada em novos super materiais, que seriam também finos, elásticos e leves. No futuro, os satélites, aviões e carros poderiam ser fabricados desses novos materiais.

A estrutura perfeita do grafeno também o torna adequado para a produção de sensores extremamente sensíveis que poderiam registrar até os menores níveis de poluição. Até mesmo uma única molécula aprisionada na superfície do grafeno seria descoberta.

Um jogo sério

A lista das possíveis aplicações do grafeno é longa. A implacável atividade que começou após sua descoberta irá provavelmente dar frutos. Ninguém pode prever o que o futuro nos trará, nem mesmo os Laureados deste ano. Eles se deixaram levar pelo acaso e tiveram a sorte e o conhecimento para aproveitar as oportunidades que apareceram - como bem sabemos, a sorte favorece as mentes preparadas.

Ambos os laureados pensam que a pesquisa deve ser divertida. Eles trabalham juntos há muito tempo. Konstantin Novoselov, 36 anos, começou a trabalhar para Andre Geim, 51 anos, como estudante de PhD na Holanda. Ele subsequentemente seguiu Geim até o Reino Unido. Ambos originalmente estudaram e começaram suas carreiras como físicos na Rússia. Agora eles são professores da Universidade de Manchester.

Ludicidade é uma de suas marcas. Com as ferramentas disponíveis eles se dispuseram a criar algo novo, algumas vezes seguindo seus cérebros sem rumo. Mas sempre se aprende algo no processo e, quem sabe, você pode até acertar na mosca. Foi assim que sete anos atrás eles criaram uma super fita adesiva inspirado na habilidade do Lagarto de Gicko de aderir até nas superfícies mais suaves. Antes disso, em 1997, Geim trabalhou para fazer um sapo levitar em um campo magnético, um engenhoso modo de ilustrar os princípios da física. O sapo que levitava ganhou o prêmio IgNobel em 2000 por "fazer as pessoas rirem primeiro e pensarem depois".

Agora, com o grafeno, Andre Geim e Konstantin Novoselov escreveram seus nomes nos anais da ciência.
Bem, essa foi a minha tradução, com alguns erros, do trabalho lançado ao público sobre o prêmio nobel. Também gostaria de deixar meus insignificantes parabéns para os laureados, Andre Geim e Konstantin Novoselov pela descoberta do que poderá ser o começo de uma revolução na eletrônica. E era isso por hoje, abraço e até a próxima.