Em 2004, Andre Geim e Konstantin Novoselov, ambos físicos da Universidade de Manchester, no Reino Unido, utilizaram uma fita adesiva comum para isolar, pela primeira vez, uma folha atômica de grafite, inaugurando uma nova classe de materiais. Conhecido como grafeno, o material conduzia eletricidade tão bem quanto o cobre, era um excelente condutor de calor e, embora sua estrutura muito compacta de carbono o fizesse muito denso, sua espessura ultrafina conferia extrema flexibilidade. A própria obtenção do grafeno foi considerada um feito surpreendente na época, dado que era impensável que materiais cristalinos formados por apenas uma camada atômica fossem estáveis. Tamanho foi o impacto da descoberta que, seis anos após a obtenção do grafeno, a dupla foi agraciada com o Nobel de Física.
Embora mais de duas décadas tenham se passado desde a descoberta de Geim e Novoselov, cientistas continuam explorando essa nova classe de materiais, conhecida como materiais bidimensionais (2D) ou lamelares. Esses materiais consistem em uma ou poucas camadas atômicas e exibem comportamentos físicos que muitas vezes desaparecem em suas formas tridimensionais, ampliando o leque de potenciais aplicações tecnológicas.
A física Ingrid Barcelos, pesquisadora do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), parte do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (Cnpem), integra um dos grupos brasileiros dedicados ao estudo desses materiais. A pesquisa de Barcelos é centrada no estudo de materiais 2D derivados de filossilicatos, minerais encontrados na natureza, e conta com financiamento da FAPESP. Segundo Barcelos, embora os filossilicatos sejam muito abundantes na natureza, eles ainda são pouco estudados. A pesquisadora ressalta que, devido ao seu baixo custo quando comparados a materiais 2D sintéticos, esses minerais se apresentam como opções acessíveis para aplicações tecnológicas. Além de serem potencialmente mais sustentáveis, já que têm origem natural e não são processados, causando menor impacto ambiental ao serem descartados.
Do grafeno aos minerais naturais
Os filossilicatos são formados pela combinação de átomos de silício e oxigênio, que se organizam estruturalmente em camadas empilhadas, formando o mineral. Assim como Geim e Novoselov, Barcelos utiliza fitas adesivas para esfoliar, ou seja, separar mecanicamente as camadas desses minerais, produzindo flocos de espessuras nanométricas. Segundo a pesquisadora, a separação desses materiais em camadas ultrafinas só é possível pois as interações entre as diferentes camadas sobrepostas são fracas o suficiente para permitir a separação, enquanto as ligações entre os átomos de cada camada são fortes o suficiente para manter a integridade da camada. “É como se você tivesse um pacote de folhas A4 em que você consegue tirar folha por folha desse pacote. E cada folha é uma camada atômica”, explica.
Barcelos conta que os filossilicatos possuem características físicas que conferem propriedades de isolantes elétricos a esses materiais. Segundo ela, no universo de materiais 2D, poucos apresentam esse comportamento, e um dos mais utilizados, o nitreto de boro hexagonal, apresenta custo elevado para obtenção do material com alta qualidade cristalina e produção concentrada em poucos locais no mundo, o que limita o seu acesso.
Essas razões reforçam a necessidade de identificar e estudar novos materiais 2D com propriedades isolantes, aponta Leandro Malard, professor da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). “A ideia é que se você tiver um material abundante e barato o suficiente, e achar aplicações interessantes para ele, você poderia fazer algo em larga escala”, conta o pesquisador.
Entre os filossilicatos estudados por Barcelos está o talco, um material 2D derivado da pedra-sabão. Essa rocha, muito abundante na região de Minas Gerais, é utilizada na fabricação de utensílios de cozinha e, devido à sua maciez e durabilidade, foi o material de escolha do artista Aleijadinho (1738-1814) para esculpir obras nos séculos 18 e 19 que ainda podem ser visitadas.
Enxergando a luz na escala nanométrica
Em 2018, Barcelos e colaboradores publicaram um estudo na revista ACS Photonics que explorou as propriedades físicas do talco, isoladamente ou combinado com camadas de grafeno, revelando propriedades elétricas e ópticas interessantes para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos. Nesse trabalho, os pesquisadores empregaram a nano-espectroscopia de infravermelho, uma técnica que utiliza radiação infravermelha para identificar a composição química dos materiais a partir das suas respostas vibracionais.
Para estudar como a luz se propaga em materiais na escala nanométrica, como é o caso do talco e outros materiais 2D, os pesquisadores combinaram a nano-espectroscopia de infravermelho com uma técnica de ultramicroscopia conhecida como microscopia óptica de varredura no campo próximo tipo espalhamento (s-SNOM), que combina o uso do infravermelho com a microscopia de força atômica. Na técnica, uma sonda metálica de dimensões nanométricas é iluminada por radiação no infravermelho, cujo comprimento de onda varia entre 700 nanômetros (nm) e 1 milímetro (mm). Essa interação concentra a luz na ponta da sonda, permitindo investigar materiais em uma escala muito menor do que seria possível com microscópios ópticos convencionais. Ou seja, a técnica permite que uma radiação com comprimento de onda acima da escala nanométrica dos materiais 2D seja utilizada para estudá-los, revelando suas características ópticas, incluindo como o infravermelho se propaga dentro deles.
Acervo pessoalA física Ingrid Barcelos trabalhando no seu laboratório no LNLS-CNPEM, em CampinasAcervo pessoal
“É incrível que a técnica permita estudar esses materiais numa escala que está muito longe da escala macroscópica de aplicação dos materiais. Você começa a descobrir propriedades que são, de fato, úteis quando se pensa em, por exemplo, desenvolver novos componentes eletrônicos”, explica o físico Raul Freitas, colaborador de Barcelos, pesquisador e coordenador da IMBUIA, linha de luz dedicada a pesquisas de micro e nano-espectroscopia de infravermelho, no LNLS/Cnpem.
Em outro estudo publicado em 2025 na revista Nanoscale, o grupo de pesquisadores deu continuidade ao seu trabalho de caracterização das propriedades ópticas do talco, descrevendo como o material suporta a formação de fônon-poláritons — quasipartículas originadas quando a luz interage intensamente com vibrações de átomos (chamadas fônons) do material.
A partir da formação dos poláritons, os pesquisadores podem observar como a luz se propaga no material, o que permitiu o estudo de propriedades fundamentais da luz no cristal de talco, explica Francisco Barbosa Maia, pesquisador do LNLS/Cnpem e também colaborador de Barcelos.
Acervo pessoalChip com dispositivo optoeletrônico integrado, desenvolvido por Ingrid Barcelos, do LNLS-CNPEM, para realizar medições elétricas e ópticas simultaneamenteAcervo pessoal
As propriedades físicas apresentadas por materiais 2D ampliam o seu leque de aplicações em diversas áreas, explica Christiano de Matos, professor da Universidade Presbiteriana Mackenzie e colaborador de Barcelos. Segundo Matos, alguns materiais 2D poderiam ser utilizados no campo da eletrônica flexível, permitindo a criação de circuitos que podem ser dobrados e esticados, enquanto que outros já vêm sendo incorporados em plásticos para aumentar sua resistência. Esse é o caso do grafeno, complementa Malard, que é utilizado principalmente pela indústria de polímeros e plásticos. Malard acrescenta que, diferente do grafeno, outros materiais 2D ainda estão em estágios incipientes de caracterização e, por isso, ainda têm um percurso longo até serem aplicados e incorporados em produtos disponíveis para a população.
Ao investigar minerais abundantes e baratos encontrados na natureza, Barcelos amplia o conhecimento sobre uma família ainda pouco explorada de materiais bidimensionais. Embora as aplicações práticas ainda estejam distantes, esse mapeamento pode abrir caminho para futuros dispositivos optoeletrônicos, nanofotônicos e emissores quânticos de luz.
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