O periódico científico internacional Nature Communications, do importante grupo editorial Nature Publishing Group, publicou no último dia 14 de julho um artigo que reúne diversos grupos brasileiros e que relata novas pesquisas sobre o fósforo negro – um nanomaterial que consiste no empilhamento de folhas bidimensionais de fósforo.

Com a participação do Prof. Dr. Christiano J. S. de Matos, pesquisador do MackGraphe – Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias da Universidade Presbiteriana Mackenzie, e de mais oito especialistas no assunto pertencentes ao próprio MackGraphe e às universidades Unesp, Unicamp, UFMG e Universidade Nacional de Singapura, o estudo desvenda uma propriedade antes desconhecida do fósforo negro e poderá contribuir para o desenvolvimento de nanodispositivos de alto desempenho.

Desde o isolamento do grafeno, em 2004, e da demonstração de seu potencial para aplicações eletrônicas e optoeletrônicas, muitos pesquisadores se concentraram em descobrir outros nanomateriais com espessuras de poucos átomos, com propriedades semelhantes ou complementares. O último a aderir a este clube seleto de alta tecnologia é o fósforo negro.

Descoberto em 1914, o material não é encontrado na natureza e foi pouco estudado ao longo do primeiro século pós-descoberta. O interesse nele, no entanto, explodiu em 2014, quando foi demonstrado que o método da exfoliação mecânica com uma fita adesiva (o mesmo utilizado para se isolar o grafeno pela primeira vez) podia ser utilizado para se obter fosforo negro com espessuras de poucos átomos.

A imagem acima mostra, em dourado, o fino cristal de fósforo negro estudado. Sobre o cristal é mostrada, na forma de uma escala de cores, a intensidade de vibrações atômicas com características não esperadas (o azul escuro representa menor intensidade, e o vermelho maior intensidade). Observa-se que essas vibrações não usuais se concentram nas bordas do cristal, dando-as características peculiares.

Diferente do grafeno, uma única folha de fósforo negro, conhecida como fosforeno, apresenta uma estrutura “sanfonada” (ver quadro abaixo). Também diferente do grafeno (que é um excelente condutor), o fosforeno é um semicondutor, um tipo de material com importantes aplicações eletrônicas. Além disso, as características eletrônicas do fósforo negro dependem fortemente do número de camadas deste material.

De acordo com o professor Christiano de Matos, essas características fazem do fósforo negro um material extremamente promissor para futuras aplicações eletrônicas e optoeletrônicas, por exemplo em transistores, desempenhando as funções lógicas necessárias em sistemas digitais; em detectores de luz, transformando energia luminosa em corrente elétrica em sistemas de comunicações ópticas (fibra óptica) ou em células fotovoltaicas; e em novos emissores de luz para as comunicações ópticas. Desta forma grafeno e fósforo negro são complementares, e não concorrentes, em termos de uso e aplicação, podendo inclusive ser utilizados em conjunto.

O estudo recém-publicado é pioneiro por ser o primeiro a identificar, através de técnicas computacionais e de laboratório, que as vibrações atômicas deste material apresentam um comportamento não esperado e diferente daquelas observadas longe das bordas. O estudo mostra, ainda, que este comportamento, não observado em grafeno, é consequência da distorção da rede cristalina próximo às bordas. Como as vibrações atômicas de um material estão relacionadas à geração e dissipação de calor, o estudo contribuirá para um melhor entendimento de como o calor é dissipado neste novo material, o que será de grande importância para a otimização de nanodispositivos eletrônicos e optoeletrônicos baseados em fósforo negro.

A parte experimental da pesquisa foi realizada no MackGraphe utilizando-se a técnica de espectroscopia Raman, capaz de analisar com precisão as propriedades atômicas e moleculares dos materiais. O MackGraphe possui um dos espectrômetros Raman mais modernos do país. Adquirido com recursos da FAPESP, o equipamento apresenta altíssima sensibilidade e a capacidade de realizar análises extensas em alta velocidade.

As folhas de papel, com o desenho de átomos organizados em uma estrutura semelhante à de favos de mel, ilustra as diferenças geométricas entre grafeno e o fosforeno (uma única camada de fósforo negro). No grafeno (esquerda) os átomos de carbono estão todos no mesmo plano, formando uma folha esticada. No fosforeno (direita) a folha de átomos de fósforo tem uma estrutura sanfonada, como se tivesse sido dobrada como um origami, dando características anisotrópicas ao material.

Via assessoria