Olhar português sobre um material surpreendente

O físico teórico Nuno Peres é uma das referências mundiais no que respeita ao estudo do grafeno, um material tão invulgar que até os eletrões no seu interior parecem não ter massa.

Mais forte do que o diamante, flexível, transparente e um excelente condutor de eletricidade. Em poucas palavras, eis as propriedades que tornam insuperável o grafeno, o material que esteve nas bocas do mundo durante o ano passado e que valeu o Prémio Nobel da Física de 2010 a Andre Gleim e Konstantin Novoselov. Para o obter, estes investigadores da Universidade de Manchester (Reino Unido) recorreram a um procedimento aparentemente simples mas engenhoso: pegaram numa fita adesiva normal e, em seguida, aplicaram-na sobre um pedaço de grafite, um elemento bastante comum nos lápis que usamos no dia-a-dia. O objetivo era arrancar-lhe algumas camadas.

Tal como se sabe, a grafite é feita de várias camadas de átomos de carbono colocadas uma em cima das outras, pelo que bastou usar o adesivo para lhe arrancar algumas, dobrar a fita de modo a unir os lados que colam e puxá-la repetidamente (em jeito de esfoliante) até se formar uma única camada no adesivo, com a incrível grossura de um átomo. Pelo meio, deu-se uso a algumas técnicas bem mais complexas de modo a atingir o resultado pretendido. Eis, portanto, como se chegou ao grafeno.

Nuno Peres, da Universidade do Minho, é um dos físicos mais reputados a nível mundial pelo trabalho teórico que desenvolveu na área do grafeno. Natural de Arganil, o cientista de 44 anos foi coautor, juntamente com o brasileiro António Castro Neto e o espanhol Francisco Guinea, dos artigos teórico e de revisão mais citados neste campo de investigação, com o primeiro a ser publicado em 2006 na revista Physical Review B e o segundo na Reviews of Modern Physics, três anos depois.

Um dos grandes feitos de Nuno Peres e dos seus colegas foi a previsão, para o grafeno, de uma nova configuração do efeito de Hall quântico, um fenómeno que está ligado à sua condutividade elétrica. Ainda para mais, conseguiram descrever o modo como opera a transparência neste material, um aspeto importante para as futuras aplicações práticas.

Descobertas premiadas

O culminar deste esforço intelectual surgiu com os trabalhos experimentais dos dois vencedores do Nobel e da sua equipa, ao confirmarem muitas das previsões que tinham sido apresentadas no artigo de 2006. Perante estes resultados, não é de admirar que o júri do Prémio Gulbenkian Ciência 2011 tenha atribuído este galardão, no valor de 50 mil euros, ao investigador português.

O potencial do grafeno para a indústria da eletrónica é sobejamente conhecido, mas quais são as características que o tornam real­mente especial? Antes de mais, temos de ter em conta o facto de estarmos perante uma só camada bidimensional de átomos de carbono, arranjados numa rede hexagonal (de modo semelhante à rede de uma capoeira), em que cada átomo está ligado a outros três.

Todavia, e ao contrário do que se poderia pensar, essa estrutura não é lisa. “Imagine que tem uma folha de papel e que a amarrota com as mãos. Depois estica-a novamente em cima da mesa e vai ver pequenas ondulações, altos e baixos, vincos. Isso é que é, realmente, o aspeto de uma folha de grafeno”, começa por desmistificar o investigador.

Cruciais em toda esta “teia” irregular são os quatro eletrões que normalmente acompanham cada átomo de carbono, pois eles estão no cerne das importantes propriedades deste material. Basicamente, “cada átomo de carbono vai partilhar com os seus três vizinhos um eletrão”, daí resultando “um conjunto de fortes ligações químicas que lhe dão o aspeto hexagonal”. Eis, portanto, aquilo que origina a estrutura rígida da rede de grafeno.

Despachados três, sobra um eletrão, o qual “vai estar a viajar” pela rede e é “partilhado por todos os átomos de carbono”. Ou seja, “cada átomo dá um eletrão e todos os outros átomos partilham esse eletrão”. E qual acaba por ser a importância destas partículas viajantes? Ora bem, acontece que “as propriedades associadas, por exemplo, ao transporte de corrente elétrica ou à absorção de luz por parte do grafeno, estão ligadas, precisamente, a esse eletrão”.

Massa zero

Transposta a primeira análise, começamos agora a entrar na parte mais estranha de toda esta história: “A forma como os eletrões se comportam quando se movimentam no grafeno, ligados aos átomos de carbono, é como se, de facto, a sua massa fosse nula”, revela o cientista. A frase pode deixar muitos leitores espantados, embora não haja razões para isso. Ninguém está a afirmar a existência de eletrões sem massa (à semelhança dos fotões que transportam a luz), pois “a afirmação não é a de que os eletrões perdem a massa quando estão dentro do grafeno, mas sim a de que, quando estão em movimento dentro dele, comportam-se como se a sua massa fosse zero”.

Para perceber este facto, Nuno Peres aconselha a que primeiro nos desfaçamos da ideia “muito popularizada, no ensino secundário e não só”, de que os eletrões no metal são partículas livres. O que se verifica é o contrário. “Em geral, a massa dos eletrões quando se movimentam num sólido nunca é igual à massa dos eletrões quando estão como partículas isoladas. A razão é precisamente porque os eletrões não são partículas livres dentro de um sólido, pois sentem a presença dos nú­cleos atómicos dos átomos que o constituem.”

Outra conceção que, por vezes, atrapalha mais do que ajuda é a representação clássica dos eletrões a movimentarem-se como se fossem pequenas bolas de bilhar. Sabemos, com a mecânica quântica, que o comportamento de um eletrão em redor do núcleo do átomo é descrito como sendo uma orbital, a qual mais não é do que uma probabilidade de distribuição desse mesmo eletrão; neste caso, a forte probabilidade de ele se encontrar em determinados pontos do espaço que cerca o núcleo. O problema é que quando muitas pessoas, incluindo alunos, “fazem a transposição do eletrão, enquanto objeto ligado a um núcleo, para um objeto que se movimenta num sólido, desligam-se da noção de que o movimento ao nível atómico é descrito em termos ondulatórios”, a famosa dualidade onda-partícula do eletrão. Consequentemente, este esquecimento acaba por “inviabilizar a interpretação de como é que os eletrões podem perder a massa”.

Desmascarado o equívoco, passemos aos factos que nos permitem compreender melhor o grafeno. “Na verdade, o movimento eletrónico num sólido (e isto não é específico do grafeno, é geral) é descrito como se os eletrões se propagassem como ondas. E quando eu tenho uma onda a propagar-se num sólido que tem uma certa estrutura periódica, isso vai dar origem a certos tipos de interferências, próprias das ondas”, esclarece o físico. “A consequência do movimento do eletrão como onda, na estrutura atómica hexagonal do grafeno, dá origem à possibilidade de, e do ponto de vista da propagação dos eletrões (do transporte eletrónico), eles se comportarem como se não tivessem massa.” Dada a explicação, eis uma das razões pelas quais este material é mesmo especial.

Avesso à desordem

Os eletrões movem-se no grafeno a uma velocidade 300 vezes menor do que a da luz no vácuo (que é de cerca de 300 mil quilómetros por segundo), um registo típico do que é verificado em metais como o cobre. Contudo, uma das características que se destacam é a sua baixa resistência elétrica, pois a rede hexagonal em que se encontram arranjados os átomos de carbono “não está fortemente perturbada”.

Trocado por miúdos, isto significa que não faltam átomos de carbono em certos sítios da sua estrutura, já que eles não foram substituídos por outros, como o azoto ou o boro. Estamos então perante aquilo a que os físicos chamam “um sólido pouco desordenado”, no qual “é possível a um eletrão viajar grandes distâncias antes de encontrar um defeito”, diz Nuno Peres. E em que consiste esse defeito? “Um átomo de azoto que está a substituir um átomo de carbono é um defeito, pois naquele sítio é suposto estar, precisamente, um átomo de carbono. Sempre que um eletrão encontra uma destas imperfeições, a sua trajetória pode ser alterada, porque sente localmente que há ali qualquer coisa que não está no sítio que devia estar. Isto contribui para a resistência elétrica dos metais.” Uma vez que o grau de pureza do grafeno é elevado, dado que são poucos os defeitos na estrutura, a sua resistência elétrica acaba por ser baixa, pois os eletrões conseguem percorrer grandes distâncias, no seu interior, “antes de chegarem perto de um defeito que os faça desviar da trajetória que traziam”.

Quase invisível

Além de conduzir corrente elétrica, também estamos perante um metal que é transparente, pois só absorve 2,3 por cento da luz que incide sobre ele. Parte da translucidez advém do facto de estarmos perante um material que apenas tem um átomo de grossura, o que em unidades de grandeza física equivale a pouco mais de um angström – ou pouco mais de um décimo-milionésimo de milímetro, dito de outra forma.

Apesar da escala liliputiana, não é neste pormenor que reside o segredo, já que a transparência deve-se, acima de tudo, a uma característica única do grafeno. Ao contrário do que é regra, os 2,3% de luz absorvida não dependem da energia dos fotões, ou seja, “não dependem do comprimento de onda da luz, numa gama que vai desde o infravermelho até ao violeta”, ressalva o investigador. “Normalmente, quando os materiais absorvem a luz, têm uma forte dependência do comprimento de onda dessa mesma luz. O grafeno, na gama de energias referidas, não tem essa forte dependência. A quantidade de luz que ele absorve é praticamente a mesma, seja um fotão infravermelho ou vermelho, azul ou violeta.” A situação só muda a partir do violeta, altura em que “já começa a ser diferente”.

Curiosamente, este fenómeno acaba por ser uma das consequências de os eletrões se comportarem como se não tivessem massa. “Um sistema que não tenha esta propriedade, mesmo que seja bidimensional, não vai absorver luz da mesma maneira que o grafeno faz, absorvendo-a consoante a frequência do fotão”, resume Nuno Peres.

Olhando para muitas das tecnologias que hoje em dia usufruímos, torna-se percetível que o grafeno será útil em qualquer aparelho que requeira elétrodos transparentes, como os ecrãs táteis ou os painéis fotovoltaicos. Aliás, os ecrãs dos computadores costumam necessitar de uns elétrodos transparentes, “necessários para fazer o endereçamento da exposição no ecrã”, sendo normalmente feitos de óxidos à base de índio. Acontece que “esses óxidos são extraordinariamente caros, porque o índio é um elemento raro à superfície da Terra”, razão pela qual o grafeno poderá ser o substituto ideal.

O Nobel da Física entregue em 2010 não foi o culminar das investigações em torno do grafeno, mas sim o tiro de partida para todo um rol de estudos em seu torno, pelo que o futuro deste material está dependente de tudo aquilo que se conseguir descobrir sobre ele. Neste contexto, Nuno Peres é um dos cientistas na linha da frente, até porque as suas investigações consistem num “trabalho de natureza teórica” que está “orientado para o trabalho de natureza experimental”.

Investigações na calha

Neste momento, existem três tópicos sobre os quais se debruça, em conjunto com outros colegas da mesma área. Um deles é o que acontece quando se deforma o grafeno. “Imagine que tem uma folha de grafeno e que a puxa por uma ponta, de um lado e do outro. De que maneira é que isso altera quer as propriedades de transporte de corrente elétrica, quer as propriedades de absorção de luz?”

Outro dos interesses passa pelo estudo das nanofitas de grafeno. “Quando cortamos fitas muito estreitas, como é que a luz interage com esse sistema? A luz, dependendo de como é que o campo elétrico está a oscilar em relação à folha, ou vê uma folha que é muito comprida ou uma que é muito estreita.” A resposta à questão permitirá inventar dispositivos para controlar o estado de polarização da luz.

Finalmente, temos a linha de investigação ligada aos sistemas híbridos, nomeadamente compostos por carbono, azoto e boro: “São sistemas intercalados em que produzimos grafeno e depois uma nova estrutura por cima do grafeno. E, por cima dessa nova estrutura, outra vez grafeno.” Esta área de estudo tem o nome genérico de “cristais bidimensionais artificiais”.

Uma vez desbravadas estas três questões, o passo seguinte terá lugar nos laboratórios, pela mão dos físicos experimentais. Seja em universidades, institutos ou empresas, o que não falta pelo mundo fora é grupos a fazer investigação em redor deste material de propriedades incomuns. Em Portugal, e segundo Nuno Peres, as universidades do Minho (à qual pertence) e do Porto são as que mais envolvidas estão nesta área. No entanto, algo que ainda não existe são empresas nacionais a explorar todas estas potencialidades.

A industrialização do processo de produção do grafeno ainda não é uma realidade, mas a verdade é que algumas multinacionais do setor químico, como a BASF, estão neste momento a tentar otimizar a sua produção, de modo a fabricar tecnologia que possam vender. Dos que são conhecidos, ainda nenhum método que possa levar à produção em larga escala conseguiu convencer, “mas se calhar há outros”, ainda desconhecidos, “porque nas grandes empresas a investigação é classificada, uma vez que isso significa muito dinheiro”, esclarece o investigador. Apesar de tudo, existe uma certeza quase incontornável: “Se tiverem em mãos métodos eficientes e baratos, vão aproveitá-lo. E, quando acontecer, as pessoas vão dar por isso.”

J.P.L.

Previsões certeiras

Uma das previsões feitas por Nuno Peres, António Castro Neto e Francisco Guinea consistiu numa nova “regra de quantificação” para a condutividade elétrica no grafeno. Em causa estava uma outra configuração para o denominado “efeito de Hall quântico”, que a ser verificada experimentalmente ajudaria a provar que os eletrões no grafeno se comportam como se não tivessem massa. Para gáudio do investigador português e da restante equipa, a teoria acabou por se revelar correta. Mas, afinal, em que consiste ela?

Comecemos por partes, explicando em primeiro lugar o que é o efeito de Hall. Neste caso, o melhor é recorrermos a um exemplo, pelo que vamos pegar numa folha de papel e imaginar que ela é um sólido bidimensional. O passo seguinte consiste em ligar as partes superior e inferior da folha a cada um dos extremos (positivo e negativo) de uma pilha elétrica, de modo a que se feche o circuito e comece a circular uma corrente elétrica. Para finalizar, são utilizados dois ímanes, de modo a fazer passar pela folha bidimensional um campo magnético. Uma vez montado todo este aparato, o efeito de Hall começa a manifestar-se: “Na presença do campo magnético que está a atravessar a folha onde os eletrões se movimentam, começa a aparecer, nas extremidades das perpendiculares da folha (neste caso perpendiculares à propagação da corrente), aquilo a que chamamos uma ‘diferença de potencial’ ”, sintetiza Nuno Peres. Isto significa que, se alguém fosse fazer uma medição com um voltímetro, “é como se também estivesse ali uma espécie de pilha”, neste caso virtual. Sem o campo magnético provocado pelos ímanes, o efeito não ocorreria.

Em seguida, há que contar com um outro conceito: a resistência de Hall. Por norma, ao aplicarmos uma diferença de potencial a um material, conseguimos medir a corrente elétrica que o atravessa e, consequentemente, a sua capacidade de resistência. No caso do efeito de Hall, a situação é diferente, pois existe uma corrente que atravessa a folha de uma ponta à outra e uma diferença de potencial que se manifesta de modo perpendicular à corrente (provocada pelo campo magnético). Daqui, é possível obter, precisamente, “um quociente entre essa corrente e a diferença de potencial”, salienta Nuno Peres, sendo que o valor obtido vai definir um tipo de “resistência invulgar”, a mencionada resistência de Hall. Tudo isto já tinha sido detetado em 1879 pelo físico norte-americano Edwin Hall, pelo que ainda não estamos perante qualquer novidade.

Um século depois, em 1980, o alemão Klaus von Klitzing conseguiu juntar mais uma peça a este puzzle, ao descobrir que a resistência de Hall (e conforme a intensidade do campo magnético) não varia de forma linear, mas sim através de patamares, como se subíssemos ou descêssemos uma escada. Temos assim uma resistência que está quantizada, em que não são detetados valores contínuos quando varia, já que ela salta de um valor para outro muito mais acima ou abaixo, tal e qual como se existissem números proibidos. O mais invulgar de tudo isto é que os valores obtidos não dependem das propriedades do material envolvido, dado que resultam da combinação de constantes físicas universais (neste caso, a carga do eletrão e a constante de Planck) divididas por números inteiros. Eis, de um modo simplificado, em que consiste o efeito de Hall quântico.

A grande novidade que Peres, Castro Neto e Guinea acabaram por trazer a toda esta história foi a previsão (que depois se revelou acertada) de que, no grafeno, o efeito de Hall quântico tem uma outra versão. Neste caso, em vez de se obterem números inteiros para fazer os cálculos com as ditas constantes fundamentais, temos números semi-inteiros. Isto explica porque é que os eletrões se comportam no grafeno como se não tivessem massa. Como frisa o cientista português, “se a massa não fosse zero, a sequência de números semi-inteiros não existiria, seria outra, com números inteiros”. Temos assim, “pela primeira vez, um material condutor em que os eletrões têm essa propriedade estranha de se comportarem como se a sua massa não existisse”. Só por si, e do ponto de vista da física fundamental, “isso é extraordinário”, conclui o investigador.

Quanto a possíveis aplicações práticas deste fenómeno, existem algumas possibilidades a ter em conta. Uma vez que os valores dos patamares são independentes das propriedades do material, tal significa que “pode ser usado para substituir padrões de medida”. Neste momento, por exemplo, o quilograma é uma unidade de massa definida universalmente por um cilindro de platina-irídio. Guardado na região francesa de Sèvres, o objeto encontra-se num cofre que tem três camadas protetoras de vidro, o que não impediu que, desde a altura em que foi feito, em 1879, tenha perdido cinquenta milionésimos de grama. Esta perda é um autêntico drama, pois os sistemas de medição moderna necessitam de um grau de precisão cada vez mais exigente. Uma vez que o cilindro que serve de padrão é cada vez menos fiável, uma solução passa por “substituí-lo por um efeito físico” que seja universalmente constante. Neste sentido, o efeito de Hall quântico tem todas as condições para “ajudar na definição do novo padrão de massa”, diz Nuno Peres.

Computadores mais rápidos a caminho

No início de fevereiro, a revista Science deu a conhecer uma nova descoberta na área do grafeno. O estudo em causa, assinado por 15 investigadores (entre os quais Nuno Peres e os laureados com o Nobel da Física de 2010), dá conta do desenvolvimento de um transístor eficiente feito a partir deste material.

Para fazerem as operações que lhes solicitamos, os computadores necessitam de uma espécie de interruptor capaz de deixar passar ou travar a circulação de eletricidade nos seus circuitos. O componente responsável por regular a corrente elétrica é o bem conhecido transístor, feito de silício.

Apesar de o grafeno ter uma resistência elétrica bem menor do que o silício, o facto de ser, precisamente, um muito bom condutor de eletrões torna extremamente difícil travar ou diminuir a sua circulação. A solução agora obtida (e que é descrita no artigo da Science) permite ultrapassar o problema. Para isso, os investigadores criaram um transístor em que existe uma camada de nitreto de boro ou de dissulfeto de molibdénio entre duas camadas de grafeno. Basicamente, “o nitreto de boro é um isolador que cria uma barreira de túnel entre as duas folhas de grafeno”, explica Nuno Peres. Já o dissulfeto de molibdénio “também funciona como barreira, mas de modo um pouco distintivo do nitreto de boro”. O objetivo destas barreiras é impedir os eletrões de fluírem de uma camada de grafeno para a outra.

Contudo, a física quântica diz que “é possível, com uma certa probabilidade”, que um pequeno número de eletrões atravesse a camada que separa o grafeno, num fenómeno chamado “efeito de túnel”. De modo a aumentar essa probabilidade, bastou aplicar uma voltagem através das barreiras de nitreto de boro ou de dissulfeto de molibdénio para fornecer mais energia aos eletrões, o que acabou por permitir a passagem de uma corrente elétrica entre as duas camadas de grafeno. Doseando esta voltagem, consegue-se impedir ou deixar passar uma corrente elétrica, fazendo de todo o dispositivo um transístor.

Daqui nascem novas possibilidades para a miniaturização e um menor consumo de energia, como salienta o cientista português. “A experiência mostra que dispositivos deste tipo são possíveis e funcionam. O próximo passo é a sua otimização. Só depois se poderá pensar em integrar estes novos dispositivos na eletrónica comercial.” Melhor ainda, estes componentes poderão ser essenciais para a criação de computadores bastante mais rápidos do que os atuais.

Apesar de a ideia para estes novos dispositivos pertencer a Andre Gleim e Konstantin Novoselov, Nuno Peres acabou por dar um cunho português à investigação, pois ajudou, numa fase inicial, no trabalho de “modelação do efeito de túnel e na caracterização das bicamadas de nitreto de boro”.

SUPER 167 - Março 2012