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Físicos descobrem vibrações inesperadas em nanomaterial

Rearranjo de átomos provoca esse efeito nas bordas do fósforo negro, cristal com potencial aplicação em fotônica

IGOR ZOLNERKEVIC | Edição Online 12:31 14 de julho de 2016

 

Cristal de fósforo negro observado ao microscópio de força atômica: as cores na borda superior indicam a intensidade de vibração de átomos, que é maior nas áreas em vermelho, e menor, nas áreas azuladas

Cristal de fósforo negro observado ao microscópio de força atômica: as cores na borda superior indicam a intensidade de vibração de átomos, que é maior nas áreas em vermelho, e menor, nas áreas azuladas

Um grupo de físicos brasileiros observou pela primeira vez em detalhe como os átomos vibram nas bordas de um material de dimensões nanométricas feito exclusivamente a partir do elemento químico fósforo. Conhecido como fósforo negro, esse material não é encontrado na natureza. Foi sintetizado pela primeira vez em 1914, mas suas propriedades com potencial aplicação em nanotecnologia só começaram a ser descobertas um século mais tarde.

Em um estudo publicado nesta quinta (14/7) na revista Nature Communications, a equipe coordenada pelo físico brasileiro Christiano de Matos descreve uma anomalia no padrão de vibrações que jamais havia sido observada em blocos tão diminutos de fósforo negro nem em outros materiais com dimensões nanométricas, como o grafeno, formado por uma só camada de átomos de carbono e uma das grandes promessas da nanotecnologia. “As bordas do grafeno apresentam algumas propriedades peculiares, mas as vibrações atômicas são iguais às do restante do cristal”, conta Matos, físico do Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias (MackGraphe) da Universidade Presbiteriana Mackenzie. “Observamos algo novo no fósforo negro.”

Segundo o pesquisador, por ora é difícil dizer se essas alterações na vibração podem ajudar ou atrapalhar o design de um dispositivo nanotecnológico, como um transistor ou um sensor de luz. “O que se torna claro”, diz, “é que o projeto de qualquer dispositivo terá de levar essas vibrações de borda em consideração.”

Na escala dos objetos medidos em milionésimos de milímetros (nanômetros), as vibrações atômicas estão estreitamente relacionadas a várias propriedades dos materiais, em especial, à dissipação de calor. “São as vibrações que carregam o calor de um lado para outro do material”, explica o físico.

Desde que as primeiras propriedades com potencial uso em nanotecnologia do fósforo negro começaram a ser identificadas, em 2014, o interesse dos pesquisadores de diversas áreas por esse material vem crescendo. Chamam a atenção a sua capacidade de conduzir eletricidade e, principalmente, a de emitir e absorver luz em vários comprimentos de onda, propriedade que varia segundo a espessura do cristal de fósforo negro. São essas propriedades que, de acordo com especialistas, podem tornar o seu uso mais vantajoso do que o do grafeno em nanofotônica.

Em termos estruturais, o fósforo negro é semelhante à grafite, o mesmo material usado em lápis. Tanto um quanto outro são formados por folhas de apenas um átomo de espessura empilhadas umas sobre as outras – as camadas monoatômicas de fósforo são chamadas de fosforeno, e as de carbono recebem o nome de grafeno.

Mas as propriedades especiais desses materiais aparecem sob condições distintas. A alta resistência mecânica e a boa capacidade de conduzir calor ou eletricidade do carbono aparecem principalmente quando este elemento químico está disposto em uma folha de um só átomo de espessura – ou seja, encontra-se na forma de grafeno. Já com o fósforo negro é diferente. Suas propriedades se tornam evidentes à medida que os pesquisadores esfoliam o material e chegam a uma dezena (ou até menos) de camadas empilhadas. Essa característica pode permitir controlar mais facilmente as propriedades do material simplesmente adicionando ou eliminando camadas.

Em experimentos conduzidos no MackGraphe, o estudante de doutorado Henrique Ribeiro, orientado por Matos e pelos físicos Marcos Pimenta, da Universidade Federal de Minas Gerais, e Eunézio Antônio de Souza (Thoróh), do MackGraphe, fez feixes de laser incidirem sobre amostras de fósforo negro compostas de diferentes números de camadas atômicas, com espessura variando de 6 a 300 nanômetros. Parte dessa luz é absorvida e parte é espalhada pelos átomos do material. A luz absorvida fornece energia para os átomos vibrarem, alterando as propriedades – em especial, a frequência e a polarização – da luz espalhada.

Em seguida, os pesquisadores compararam as medições feitas no experimento com os resultados de simulações feitas pelo físico Cesar Pérez Villegas, que faz estágio de pós-doutorado sob a supervisão de Alexandre Rocha no Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em São Paulo. Da comparação, os físicos deduziram como os átomos vibravam ao receber o laser e concluíram que, nas bordas do fósforo negro, os átomos oscilavam de maneira específica, distinta daquela dos átomos do restante do material. Essas vibrações de borda apareceram em todas as amostras, independentemente de sua espessura.

Experimentos semelhantes ao feito agora com o fósforo negro já haviam sido realizados com o grafeno e mostrado que, embora seus átomos vibrem da mesma maneira tanto na borda como em seu interior, a luz espalhada nas bordas deste material pode apresentar frequência diferente da espalhada por seu miolo. A vibração dos átomos viaja pelo material na forma de ondas. No grafeno, a borda funciona como um espelho em que a onda bate e volta refletida. É essa reflexão que modifica a frequência da luz espalhada. Já no fósforo negro, a vibração diferente é explicada por um leve deslocamento dos átomos na borda das camadas de fosforeno. “No fosforeno, os átomos da borda têm uma posição de equilíbrio diferente da dos átomos do meio do material”, conta Matos. “Isso os faz vibrar de modo distinto.”

Projetos
1. Grafeno: fotônica e optoeletrônica. Colaboração UPM-NUS (nº 2012/50259-8); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Programa SPEC; Pesquisador responsável Antonio Helio de Castro Neto (Universidade Presbiteriana Mackenzie); Investimento R$ 13.110.474,99 (para todo o projeto)
2. Efeitos plasmônicos e não-lineares em grafeno acoplado a guias de onda ópticos (nº 2015/11779-4); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Projeto Temático; Pesquisador responsável Christiano José Santiago de Matos (Universidade Presbiteriana Mackenzie); Investimento R$ 832.300,86
3. ICTP Instituto Sul-americano para Pesquisa Fundamental: um centro regional para física teórica (nº 2011/11973-4); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Projeto Temático; Pesquisador responsável Nathan Jacob Berkovits (Unesp); Investimento R$ 5.393.992,00

Artigo científico
RIBEIRO, H. B. et al. Edge phonons in black phosphorus. Nature Communications. 14 jul. 2016.


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