Os superpoderes dos materiais superfinos

*Por Amos Zeeberg

"E se fôssemos capazes de incorporar eletrônicos a absolutamente tudo? E se fizéssemos a coleta de energia de células solares nas rodovias e tivéssemos sensores de tensão embutidos em túneis e pontes para monitorar o concreto? E se pudéssemos olhar para fora para obter a previsão do tempo na janela? Ou trazer dispositivos eletrônicos para minha jaqueta para monitorar minha saúde?", disse recentemente Tomás Palacios, engenheiro elétrico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Em janeiro de 2019, Palacios e seus colegas publicaram um artigo na "Nature" que descreve uma invenção que traria esse futuro um pouco mais para perto: uma antena que pode absorver o caldo cada vez mais espesso de sinais Wi-Fi, Bluetooth e celulares no ambiente e eficientemente transformá-lo em energia elétrica utilizável.

A chave dessa tecnologia é um novo material promissor chamado dissulfeto de molibdênio, ou MoS2, que pode ser depositado em uma camada de apenas três átomos de espessura. No mundo da engenharia, é difícil as coisas ficarem muito mais finas. E fino é útil. Por exemplo, uma camada de MoS2 poderia envolver uma mesa e transformá-la em um carregador de laptop, sem a necessidade de fios e tomadas.

Para pesquisadores como Palacios, os materiais bidimensionais serão o eixo da internet de tudo. Eles serão "pintados" em pontes e funcionarão como sensores para observar deformações e rachaduras. Cobrirão janelas em camadas transparentes que só ficarão visíveis quando a informação for mostrada. E se o absorvedor de ondas de rádio da equipe de Palacios funcionar, alimentará os eletrônicos presentes. Cada vez mais, o futuro parece plano.

"Houve um interesse totalmente explosivo. Não há outra maneira de caracterizá-lo", disse Jeff Urban, pesquisador de materiais 2D da Fundição Molecular do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia.

A mania pela química 2D começou em 2004, quando dois pesquisadores da Universidade de Liverpool usaram fita de celofane para descascar camadas de carbono de um átomo da espessura do grafite, formando o grafeno. O grafeno é idêntico ao grafite e ao diamante na composição, mas sua espessura ínfima lhe dá propriedades muito diferentes: ele é flexível, transparente, extremamente forte e um condutor elétrico e térmico excepcional.

Os pesquisadores rapidamente começaram a fazer todo tipo de dispositivos novos e melhorados com ele. Recentemente, várias empresas lançaram fones de ouvido com diafragmas – as membranas vibratórias que produzem som em dispositivos de áudio – feitos de grafeno. Alguns fabricantes de tinta estão adicionando o grafeno a suas fórmulas para fazer revestimentos mais duradouros. Em outubro passado, a Huawei introduziu o Mate 20 X, um celular grande e poderoso que usa grafeno para ajudar a resfriar o processador. A Samsung usou grafeno para desenvolver uma bateria de rápido carregamento, que poderá aparecer nos celulares em um futuro próximo.

Urban está trabalhando com materiais 2D para melhorar as células de combustível, que têm atraído interesse como um sistema de propulsão limpa para veículos verdes. A maioria das células de combustível gera eletricidade a partir do hidrogênio, mas mesmo sob alta pressão o gás hidrogênio ocupa várias vezes mais espaço que uma quantidade comparável de gasolina, tornando seu uso impraticável em automóveis.

Em vez disso, Urban está incorporando átomos de hidrogênio em sólidos, que são muito mais densos que gases. Em março, ele e seus colegas anunciaram um novo meio de armazenamento: minúsculos cristais de magnésio envoltos em tiras estreitas de grafeno, chamadas nanofitas. Eles descobriram que o hidrogênio armazenado dessa maneira poderia fornecer quase tanta energia quanto o mesmo volume de gasolina, pesando muito menos.

Urban comparou o processo à produção de biscoitos com gotas de chocolate, em que o magnésio é a gota de chocolate – a parte principal – porque contém o hidrogênio. "Queremos um biscoito com o maior número possível de gotas de chocolate", disse ele, e a nanofita de grafeno faz uma excelente massa de biscoito. A nanofita também ajuda o hidrogênio a entrar e sair dos cristais de magnésio rapidamente, ao mesmo tempo que deixa de fora o oxigênio, que compete com o hidrogênio pelo espaço nos cristais.

Urban analisa o reino superfino no Advanced Light Source (ALS), um laboratório em San Francisco. Lá, os elétrons são acelerados até quase a velocidade da luz, gerando raios X poderosos que podem ser usados para sondar a estrutura atômica dos materiais.

No ALS, Urban e seus colegas descobriram exatamente como o grafeno se envolvia e se ligava firmemente ao magnésio. Essas ligações, acreditam eles, são o que torna o material composto estável durante longos períodos – uma característica importante para seu uso no mundo real. Em outros lugares, os pesquisadores usam camadas superfinas de materiais e as empilham em blocos tridimensionais que têm as propriedades distintas dos materiais 2D e 3D convencionais.

Kwabena Bediako, químico da Universidade da Califórnia, em Berkeley, publicou um estudo no ano passado na "Nature" descrevendo como ele e seus colegas tinham incorporado íons de lítio entre muitas camadas de materiais bidimensionais, incluindo o grafeno. "Começamos com um pedaço de pão, passamos um pouco de maionese e adicionamos queijo e um pouco de presunto. Você pode fazer isso quantas vezes quiser e criar um sanduíche", afirmou.

Ao variar as diferentes camadas da pilha tridimensional, os pesquisadores foram capazes de ajustar a forma como os materiais armazenam o lítio, o que poderia levar ao desenvolvimento de novas baterias de alta capacidade para dispositivos eletrônicos.

Xining Zang, candidata a pós-doutorado em ciência dos materiais no MIT, descobriu recentemente uma maneira surpreendentemente fácil de construir pilhas de materiais 2D usando gelatina, o ingrediente que dá ao marshmallow sua estrutura. Ela e vários colegas combinaram gelatina, íons metálicos e água. A gelatina se reuniu em camadas (como acontece quando forma a sobremesa), organizando assim os íons metálicos em camadas. Parte do carbono na gelatina reagiu então com o metal para produzir folhas bidimensionais de carbonetos metálicos; estes trabalharam como catalisadores para ajudar a dividir a água em oxigênio e hidrogênio, um processo que poderia ser empregado para gerar eletricidade em células de combustível.

"Hesito em dizer que a técnica era crua, porque era muito elegante se você pensar nela. Fica bem na interface entre alta e baixa tecnologia", disse Nate Hohman, ex-cientista da equipe da Fundição Molecular e um dos autores do trabalho.

Um lugar onde os materiais bidimensionais estão florescendo é em Singapura, no laboratório de Liu Zheng, na Universidade Tecnológica de Nanyang. Singapura é conhecida como a Cidade Jardim, e o minúsculo país vem zelosamente enchendo suas terras de vegetação – inclusive na universidade, que plantou jardins em cantos abandonados em torno de seus edifícios modernos. Zheng vê sua pesquisa como um tipo diferente de cultivo. "Sou um jardineiro. Há um jardim 2D, com todos os tipos de flores. São todas lindas", disse ele.

No ano passado, Zheng e seus colegas expandiram drasticamente esse jardim, criando dezenas de novos materiais 2D de uma classe de compostos chamados calcogenetos de metais de transição (TMC, na sigla em inglês). A principal descoberta estava em usar o sal de mesa comum para baixar as temperaturas em que os metais são normalmente derretidos; isso permitiu que os metais fossem vaporizados e depositados em filmes finos.

"Um dia um aluno me disse: 'Posso fazer todos os TMCs com sal.' Fiquei realmente surpreso. Esse foi meu sonho durante muitos anos", disse Zheng. Um conjunto de prateleiras no movimentado laboratório de Zheng está cheio de recipientes claros e hermeticamente fechados; eles contêm placas de silício nas quais os materiais 2D são depositados. Os filmes muitas vezes formam um triângulo ou hexágono visível, de acordo com as estruturas geométricas dos cristais em cada material.

Depois que os filmes são depositados, a equipe de Zheng segue para um laboratório próximo para estudar as estruturas resultantes em detalhes. A sala é dominada por um microscópio eletrônico de transmissão que fica a quase quatro metros de altura e pesa uma tonelada e meia – um dispositivo gigante para ver átomos individuais.

Muitos TMCs, incluindo o MoS2 usado por Palacios para absorver ondas de rádio, mostram potencial para vários usos industriais. O selênio de platina bidimensional feito no laboratório de Singapura poderia produzir células de combustível mais baratas, que normalmente usam um metal precioso, a platina, para separar o próton de um átomo de hidrogênio de seu elétron. O uso do selênio de platina bidimensional poderia reduzir a quantidade de platina usada em 99 por cento, disse Zheng. A Universidade Tecnológica Nanyang está em conversações com fabricantes sobre a comercialização da tecnologia. O futuro ainda não é bidimensional, mas estamos chegando lá.

"Realmente, vejo um grande potencial comercial para esse material. Podemos causar um enorme impacto no mercado", concluiu Zheng.

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