O material mais quente na Física pode ser feito com um lápis e fita adesiva. O “mais quente” em termos de popularidade, não de temperatura. Quando um material novo e interessante é descoberto, equipes de físicos competem entre si para entendê-lo. O material-do-século desta década é o grafeno.
O grafeno não é nada mais que uma cerca de galinhas composta por átomos de carbono… Uma cerca de galinhas mais fina que um único átomo.
Os átomos de carbono adoram formar cadeias, como no álcool, ou até mesmo anéis, como nos compostos químicos encontrados na gasolina. Conexões ainda mais emaranhadas de carbono criam substâncias populares, como o diamante e a fuligem. Os físicos já sabiam há décadas que a existência de uma única folha de átomos de carbono interligados era possível, em princípio. Porém, eles também sabiam que seria muito difícil criar tal estrutura como se ela fosse um cristal, já que a estrutura tende a se curvar e formar elos tridimensionais.
Contudo, apenas seis anos atrás, durante experimentos de ponta (utilizando fita adesiva e lápis), os físicos conseguiram criar pequenas quantidades de grafeno, menores que uma partícula de poeira. (Nota de Tradução: “Pencil lead” significa “Chumbo do lápis”; essa expressão tem origem no fato de os precursores do lápis, durante a Antiguidade Clássica, serem produzidos com chumbo. Apesar de, desde o século XVI, o lápis ser produzido com grafite, a expressão utilizada na língua inglesa nunca se modificou para acomodar esse avanço tecnológico, persistindo de maneira intacta até os dias atuais.) O chumbo do lápis, apesar do nome, não tem chumbo algum. Ao invés disso, ele é composto por várias camadas de folhas de carbono empilhadas, como as cartas de um baralho, chamadas de grafite (em grego, “escrever”). Os heróis experimentais simplesmente colaram um pouco do humilde grafite em um pedaço de fita adesiva dobrado… e puxaram, separando centenas de camadas atômicas em duas pilhas menores. Um estudante pode repetir o processo quantas vezes for necessário, até que uma única camada tenha sido criada.
Os estudantes, então, transferem as possíveis folhas únicas da fita adesiva a uma placa de silício, para maiores estudos. Uma das grandes descobertas dos pesquisadores foi um modo rápido de diferenciar as camadas únicas das camadas múltiplas, de menor interesse. Assim como a oleosidade que flutua numa poça d’água após a chuva, a espessura do filme determina sua cor. As finas, elegantes e tão desejadas folhas únicas de grafeno aparecem num pálido tom de rosa, enquanto suas primas mais rechonchudas são azuis.
O processo produziu cristais perfeitos, sem defeitos aparentes. Decobriria-se, ainda, que o grafeno se mostrou mais firme que o diamante, e, ainda assim, mais flexível. O grafeno não é um metal, e ainda assim, possui uma altíssima condutividade. E como o sucesso tem muitas mães, após a descoberta, foram feitas várias alegações reivindicando a prioridade da descoberta.
Que pena dos pobres físicos da matéria condensada. Por mais de um século, eles empurraram o lápis sobre suas pranchetas, buscando novos materiais a serem propostos. No entanto, lá estava o grafeno, literalmente debaixo de seus narizes, esse tempo todo.
Há alguns episódios, Sheldon nos conduziu, em sua mente, ao país fictício da Planolândia, onde apenas duas dimensões de movimentos são permitidas. De uma maneira nem um pouco fictícia, o grafeno é uma Planolândia de carbono, com os elétrons arranjados para se moverem apenas em seu mundo bidimensional. A falta daquela dimensão extra faz com que a maioria das regras dos materiais virem de ponta cabeça. O grafeno capturou a imaginação dos físicos com suas aplicações em potencial.
Transistores de alta velocidade: O âmago dos computadores e de muitos outros eletrônicos são os velozes interruptores denominados transistores. Os elétrons no grafeno são extremamente móveis, capazes de cruzar milhares de átomos de carbono sem qualquer tipo de dispersão. Então surgiu a ideia, pelo menos, de que o grafeno pudesse ser utilizado como a base para uma nova geração de circuitos integrados, menores e mais velozes.
Super baterias: Por ter uma proporção de massa por área menor do que a de qualquer material imaginável, o grafeno poderia revolucionar o armazenamento de energia em baterias e a adoção da energia renovável. E, também os capacitores, os blocos fundamentais de todos os eletrônicos (são eles que seguram a carga nos circuitos), poderiam ser substituídos por componentes de grafeno muito menores.
Telas de display: Por possuírem as propriedades contraditórias de transparência e condutividade ao mesmo tempo, talvez algum dia as folhas de grafeno sejam utilizadas para produzir touch-screens de grande área. Agora só resta aos cientistas descobrir pra que é que os iPads servem, afinal de contas.
Sensores de gás: O baixo ruído e grande área de superfície do grafeno poderiam fazer dele sensível o bastante para detectar até mesmo uma única molécula de gás que fosse absorvida por sua superfície, causando uma súbita mudança detectável em sua resistência elétrica.
Mas o que atraiu a atenção de Sheldon essa noite foi a descrição teórica do movimento do elétron no grafeno. Por uma coincidência matemática, a equação que descreve o movimento do elétron no grafeno é quase a mesma que a equação fundamental dos elétrons livres na mecânica quântica relativística: a famosa Equação de Dirac. Por causa das interações dos elétrons com os núcleos de carbono, os elétrons se movem como se não possuíssem massa. Então o grafeno pode servir como um tipo de laboratório para os teóricos da física de partículas, como Sheldon, para testar o entendimento da matemática que usam diariamente sob condições mais abstratas e menos controláveis.
Grafeno. A melhor coisa desde o grafite fatiado.
Tradução feita por Hitomi a partir de texto extraído de The Big Blog Theory, de autoria de David Saltzberg, originalmente publicado em 1º de Fevereiro de 2010.
The Big Blog Theory (em Português!) 