Nanoscópico brasileiro pode revelar mistérios do grafeno

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Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 19/02/2021

O pesquisador Andreij Gadelha mostra o prottipo do nanoscpio.[Imagem: UFMG]

ngulo mgico e twistrnica

A capa da revista cientfica Nature desta semana destaca uma inveno brasileira, fruto de uma parceria entre o Inmetro (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia) e a UFMG (Universidade Federal de Minas Gerais).

A inveno um nanoscpio – enquanto um microscpio faz imagens na escala dos micrmetros (10-6 m), um nanoscpio tem resoluo na faixa dos nanmetros (10-9 m) – que usa a luz para mostrar um rearranjo muito especial que acontece quando duas folhas de grafeno so sobrepostas.

Tudo comeou em 2018, quando uma equipe do MIT e da Universidade de Harvard descobriu que o grafeno pode ir de isolante a supercondutor quando duas folhas do material so sobrepostas e giradas entre si em 1,1 grau.

Poucos meses depois, a professora Rebeca Palau, da Universidade de Colmbia, lanou o conceito de flexotrnica, ou twistrnica (do ingls twistronics), um jeito de fazer eletrnica usando apenas dois materiais, graas a esse “ngulo mgico” do grafeno.

Quase simultaneamente, uma pesquisadora brasileira descobriu que o deslocamento das camadas do material monoatmico tambm pode gerar um campo magntico artificial.

Inmeros experimentos seguiram-se desde ento, mas o assunto est em aberto, uma vez que os fsicos ainda no compreendem bem o que acontece no deslocamento das folhas empilhadas de grafeno, e menos ainda por que, em determinados ngulos, o material muda to drasticamente de comportamento.

a que entra o nanoscpio desenvolvido pela equipe brasileira, que est permitindo pela primeira vez observar esses fenmenos em busca de explicaes.

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Nanoscpio

O que se sabe at agora que, quando duas camadas de grafeno sobrepostas so giradas uma em relao outra, a rede de tomos de carbono se rearranja, gerando novas propriedades inesperadas, do comportamento isolante supercondutividade, sem esquecer o magnetismo.

O nanoscpio tem como objetivo extrair informaes sobre esta estrutura, como variaes vibracionais e eletrnicas, mostrando as regies na rede cristalina com resoluo atmica, o que pode levar ao entendimento dos novos fenmenos fsicos verificados no ngulo mgico de 1,1 grau, por exemplo.

“No conseguiramos obter esta informao com nenhum outro equipamento. Alm disso, o nanoscpio brasileiro utiliza a nanoantena ptica desenvolvida no Inmetro e na UFMG, chamada de PTTP [Plasmon-Tunable Tip Pyramid], a qual ilustrada na imagem da capa da revista. Trata-se do elemento funcional, com ponta ativa de poucos nanmetros e que permite a coleta da informao ptica bem prxima da amostra,” explicou Thiago Vasconcelos, pesquisador do Inmetro e um dos autores do artigo.

Nenhum equipamento atual capaz de elucidar uma estrutura cristalogrfica com esse nvel de detalhe, explica o professor Ado Jorio, da UFMG – microscpios eletrnicos e equipamentos de raios X possibilitam enxergar a estrutura cristalogrfica dos materiais, mas no extrair informaes funcionais sobre sua estrutura.

“Os microscpios eletrnicos e os difratmetros de raios X so muito energticos, o que inviabiliza a extrao das informaes no nvel de que precisamos”, disse Ado. “No possvel elucidar diferenas de energias pequenas com uma sonda (eltron ou fton de raio X) que tem energia muito alta. O nanoscpio lida com a energia do visvel. Assim, podemos ambicionar entender os materiais para fazer engenharia com suas propriedades, tornando-os supercondutores, por exemplo.”

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A ponta do microscpio, que funciona como uma nanoantena para a luz, passeia sobre as camadas de grafeno, coletando informaes que nenhum outro equipamento atual consegue.[Imagem: Andreij C. Gadelha et al. – 10.1038/s41586-021-03252-5]

Funcionamento do nanoscpio

O nanoscpio ilumina a amostra como um microscpio ptico tradicional, com o foco da luz abrangendo um crculo de 1 micrmetro de dimetro.

“O que o nanoscpio faz inserir uma nanoantena, que tem uma ponta com dimetro de 10 nanmetros, dentro desse foco de 1 micrmetro e escanear essa ponta. A imagem com resoluo nanomtrica formada por esse processo de escaneamento da nanoantena, que localiza o campo eletromagntico da luz em seu pice,” explicou Ado.

No artigo que ganhou a capa da Nature, os pesquisadores demonstram o funcionamento do nanoscpio mostrando a estrutura atmica, vibracional e eletrnica das bicamadas de grafeno de baixos ngulos, incluindo aquelas que apresentam a supercondutividade.

“Esta tecnologia tratada em 4 patentes, sendo duas delas depositadas tambm nos EUA, China e Europa. Ela foi essencial para alcanar os resultados obtidos neste artigo e tem potencial enorme para aplicaes em quase toda indstria: de novos materiais, de semicondutores, de materiais biolgicos, de frmacos e qumica,” complementou Thiago.

Bibliografia:

Artigo: Localization of lattice dynamics in low-angle twisted bilayer grapheneAutores: Andreij C. Gadelha, Douglas A.A. Ohlberg, Cassiano Rabelo, Eliel G.S. Neto, Thiago L. Vasconcelos, Joo L. Campos, Jessica S. Lemos, Vincius Ornelas, Daniel Miranda, Rafael Nadas, Fabiano C. Santana, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Benoit van Troeye, Michael Lamparski, Vincent Meunier, Viet-Hung Nguyen, Dawid Paszko, Jean-Christophe Charlier, Leonardo C. Campos, Luiz G. Canado, Gilberto Medeiros-Ribeiro, Ado JorioRevista: NatureVol.: 590, pages 405-409DOI: 10.1038/s41586-021-03252-5

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