AS ESCOLHAS DO KIMBO

" O GRAFENO E A NANOTECNOLOGIA"

Por

 Nuno Miguel Peres *

O grafeno foi descoberto no final do ano de 2004, no Centro de Nanotecnologia da Universidade de Manchester, dirigido pelo Prof. A. K. Geim. Este material é totalmente bidimensional e feito inteiramente de átomos de carbono, arranjados entre si numa rede hexagonal (ou de favo de mel). Como se explicará adiante em maior detalhe este sistema já encontrou aplicações na indústria de células solares, em dispositivos de cristais líquidos, em sensores moleculares e no fabrico de protótipos de transístores de dimensões nanoescópicas. Também na área da investigação fundamental, a descoberta deste material revelou novos e excitantes efeitos físicos. Olhemos com algum detalhe (embora necessariamente de forma qualitativa) para a física deste novo material. A densidade electrónica do grafeno corresponde à situação em que se tem um electrão por cada átomo de carbono, sendo a estrutura de bandas do material determinada pela geometria da sua rede cristalina. Como resultado da estrutura de bandas e da densidade electrónica, a superfície de Fermi do grafeno reduz-se a seis pontos na zona de Brillouin. A estrutura de bandas do material em torno destes seis pontos é isotrópica e linear no momento do electrão.

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O grafeno é o material mais forte já demonstrado, consistindo em uma folha planar de átomos de carbono densamente compactados em uma grade de duas dimensões. É um ingrediente para materiais de grafite de outras dimensões, como fulerenos 0D, nanotubos 1D ou grafite 3D. É o material mais forte que o homem já conseguiu medir.

A consequência deste facto é que a teoria efectiva que descreve a física do grafeno é a de um modelo ultra-relativista, de partículas carregadas de massa nula (um tipo de partículas que não existe na física das partículas elementares). Assim a teoria efectiva não é a tradicional equação de Schrödinger mas sim a equação de Dirac em duas dimensões espaciais. O facto das excitações elementares no grafeno serem descritas pela equação de Dirac tem uma vasta gama de consequências, por vezes inesperadas, para as propriedades electrónicas deste material. Isto significa que as propriedades termodinâmicas, de transporte e espectrais necessitam de ser revisitadas, pois não são descritas pela física do convencional gás bidimensional de electrões.

 A promessa de encontrar nova e excitante física no grafeno, a qual poderá levar a importantes aplicações em nanotecnologia tem sido o motor para a investigação neste campo em grande aceleração ao nível mundial. Instituições de topo mundial, como Boston University, MIT, Havard, Berkeley, Stanford, Manchester, Oxford, Universidade Autonoma de Madrid, Universidade de Leiden, Escola Normal Superior de Pisa, etc, têm neste momento fortes grupos teóricos e experimentais na física do grafeno. Entre os primeiros resultados espectaculares obtidos deste novo material está o efeito de campo medido pelo grupo de Manchester. Este grupo mostrou que os portadores de carga podem ser tantos electrões como vazios, dependendo da polaridade do campo eléctrico externo. Na presença de um forte campo magnético aplicado perpendicularmente ao grafeno, este sistema desenvolve um efeito de Hall quântico não usual cuja previsão teórica envolveu dois investigadores do Departamento de Física da Universidade do Minho, o autor e o Dr. Tobias Stauber (investigador germânico contratado ao abrigo do programa Ciência 2007).

XICULULO: - Olhar de esguelha, mau-olhado, olho gordo

* Professor Associado de Física, Dep. Física, Universidade do Minho.

(Continua...)

O Soba T´Chingange