Instituto de Ciências Fotônicas
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Um supercondutor diferente: carbono ultra-fino é mais forte e flexível

Chamado de grafeno, esta categoria de carbono é mais leve que papel e 200 vezes mais resistente que aço

Kenneth Chang, The New York Times

04 de dezembro de 2019 | 06h00

No universo dos materiais de escritório, o grafite do lápis (na verdade uma mistura de grafite e argila) não parece ser excepcional. Mas, 15 anos atrás, os cientistas descobriram que uma folha simples de grafite - uma camada de carbono com espessura de um átomo formada por partículas dispostas no padrão de alvéolos - é uma maravilha. Esse carbono ultra-fino chamado grafeno é flexível e mais leve que o papel, mas ainda assim é 200 vezes mais resistente que o aço. Também funciona como bom condutor do calor e da corrente elétrica.

Depois de alguns anos, cientistas concluíram que tinham descoberto tudo a respeito do material, e seu interesse mudou de foco. “Até o ano passado, o grafeno estava lentamente saindo de moda", lembrou o físico Pablo Jarillo-Herrero, do Massachusetts Institute of Technology.

No ano passado, físicos do MIT descobriram que o empilhamento de duas folhas desse material, dispostas com uma leve angulação entre si, abria um verdadeiro baú de tesouros de fenômenos estranhos. Nasceu um novo campo de estudos: a torçônica.

Um estudo publicado no dia 30 de outubro na revista Nature traz um exame detalhado desse material, conhecido como grafeno de camada dupla com torção de ângulo mágico. 

A equipe internacional de cientistas levou a cabo uma série de experimentos e mostrou que, por meio de ajustes na temperatura, no campo magnético e no número de elétrons movendo-se livremente pelo grafeno, o material assumia as propriedades de um supercondutor, capaz de transmitir corrente elétrica sem resistência. Sem essas alterações, o material se comporta como isolante, impedindo a circulação de corrente elétrica.

A esperança trazida pela torçônica está na possibilidade de os pesquisadores aproveitarem a supercondutividade e outras propriedades para criar novos componentes eletrônicos para computadores e outros usos ainda não imaginados. “Nosso trabalho mostra a riqueza de todo um sistema, conservando todos esses efeitos de uma só vez", explicou o físico Dmitri K. Efetov, do Instituto de Ciências Fotônicas e do Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona, Espanha, principal autor do estudo.

Supercondutor

Quando duas camadas de grafeno são alinhadas perfeitamente, elas se comportam como uma única folha de grafeno. Mas, quando uma delas é levemente retorcida em relação à outra, o desalinhamento rotacional das duas produz um padrão que se repete ao longo de muitos átomos. Os elétrons saltavam com facilidade entre as folhas quando seu padrão estava alinhado, mas, nos trechos de desalinhamento, esse fluxo era mais difícil.

Jarillo-Herrero e sua equipe foram os primeiros a perceber que duas camadas de grafeno se tornavam supercondutoras quando resfriadas a uma temperatura muito próxima do zero absoluto.

A descoberta envolve usar uma camada de grafeno partida em dois para produzir dois fragmentos de padrão perfeitamente alinhado. Um dos fragmentos é rotacionado a um ângulo de aproximadamente 1,3 graus e pressionado contra o outro.

No novo estudo publicado na Nature, Efetov e seus colegas confirmaram as descobertas de Jarillo-Herrero, mas encontraram permutações adicionais de temperatura, campo magnético e densidade dos elétrons que também convertem o grafeno em supercondutor.

Magnetismo

Eles também descobriram que o grafeno poderia apresentar um tipo incomum de magnetismo, oriundo do movimento de seus elétrons, e não do magnetismo intrínseco de seus átomos, como visto em materiais como o ferro.

O novo campo da torçônica vai além do grafeno. O comportamento eletrônico do material pode depender do material no qual o grafeno é colocado, geralmente o nitreto de boro. Experimentos com outros materiais ou configurações podem render resultados diferentes.

Os cientistas começaram a explorar as possibilidades de uso de três camadas de grafeno e uma série de outros materiais bidimensionais. “Acho que este é apenas o começo", disse o físico Philip Kim, da Universidade Harvard, responsável por muitos dos primeiros experimentos com o grafeno.

Com uma variedade tão ampla de materiais para se trabalhar, ele imaginou que os cientistas seriam capazes de desenvolver novos supercondutores adequados para os computadores quânticos. “Isso me parece muito animador", afirmou. / TRADUÇÃO DE AUGUSTO CALIL

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