O grafeno \u00e9 um dos materiais mais estudados na atualidade. Justifica-se: constitu\u00eddo por uma \u00fanica camada de \u00e1tomos de carbono, dispostos em uma rede bidimensional de trama hexagonal, o grafeno \u00e9 extremamente fino, leve e resistente. <\/p>\n
Agreguem-se propriedades como transpar\u00eancia, flexibilidade, alta condutividade el\u00e9trica e t\u00e9rmica e baixo custo de produ\u00e7\u00e3o para que o horizonte de aplica\u00e7\u00f5es seja praticamente ilimitado. <\/p>\n
No entanto, com tantas pesquisas j\u00e1 realizadas, uma surpreendente propriedade do grafeno permanecia ignorada. Foi descoberta por pesquisadores brasileiros em estudo publicado em Scientific Reports, do Grupo Nature: \u201cGiant and Tunable Anisotropy of Nanoscale Friction in Graphene\u201d. <\/p>\n
Trata-se da enorme anisotropia \u2013 apresenta\u00e7\u00e3o de propriedades que variam conforme a dire\u00e7\u00e3o \u2013 exibida pelo grafeno quando este \u00e9 \u201cvarrido\u201d em diferentes dire\u00e7\u00f5es pela ponta do microsc\u00f3pio de for\u00e7a at\u00f4mica (atomic force microscope \u2013 AFM). <\/p>\n
\u201cA observa\u00e7\u00e3o mostrou que a for\u00e7a de atrito entre a ponta do microsc\u00f3pio e a folha de grafeno \u00e9 altamente dependente da dire\u00e7\u00e3o de varredura. A energia dissipada ao longo da \u2018dire\u00e7\u00e3o armchair\u2019 [rota cuja geometria lembra um bra\u00e7o de cadeira] chega a ser 80% maior do que a energia dissipada ao longo da dire\u00e7\u00e3o zigzag\u201d, disse \u00e0 Ag\u00eancia FAPESP o f\u00edsico Douglas Soares Galv\u00e3o, um dos autores do artigo. <\/p>\n
Professor titular do Instituto de F\u00edsica da Universidade Estadual de Campinas (IF-Unicamp), Galv\u00e3o \u00e9 pesquisador principal do Centro de Pesquisa em Engenharia e Ci\u00eancias Computacionais (CCES, na sigla em ingl\u00eas), um dos 17 Centros de Pesquisa, Inova\u00e7\u00e3o e Difus\u00e3o (CEPIDs) apoiados pela FAPESP. <\/p>\n
Armchair e zigzag foram as duas principais dire\u00e7\u00f5es consideradas no estudo. \u201cAs dire\u00e7\u00f5es cristalogr\u00e1ficas do grafeno s\u00e3o determinadas com o microsc\u00f3pio de for\u00e7a at\u00f4mica, utilizando-se o modo de for\u00e7a de atrito. Com essa t\u00e9cnica, conseguimos estabelecer as dire\u00e7\u00f5es na folha de grafeno e fazer as medidas de atrito em nanoescala\u201d, explicou a f\u00edsica Clara Muniz da Silva de Almeida, principal autora do artigo. <\/p>\n
Ela \u00e9 a pesquisadora respons\u00e1vel pelo Laborat\u00f3rio de Microscopia de For\u00e7a At\u00f4mica da Divis\u00e3o de Materiais do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro), com sede no campus de Xer\u00e9m, em Duque de Caxias, Rio de Janeiro. <\/p>\n
Como afirma o artigo, a enorme anisotropia no valor da for\u00e7a de atrito, e, portanto, na energia dissipada ao longo das diferentes dire\u00e7\u00f5es, \u00e9 bastante surpreendente, dada a isotropia nas propriedades el\u00e1sticas do grafeno. <\/p>\n
Seria esperada uma pequena diferen\u00e7a na energia dissipada em fun\u00e7\u00e3o das dire\u00e7\u00f5es cristalinas, como acontece no grafite, que nada mais \u00e9 que um empilhamento de folhas de grafeno. <\/p>\n
No entanto, as medidas experimentais contrariaram essa expectativa, mostrando uma diferen\u00e7a de at\u00e9 80% no valor da energia dissipada entre as dire\u00e7\u00f5es cristalinas. <\/p>\n
\u201cIsso se deve \u00e0 deforma\u00e7\u00e3o da folha de grafeno pela ponta do microsc\u00f3pio. Tal deforma\u00e7\u00e3o, que \u00e9 amplificada de diferentes maneiras nas duas dire\u00e7\u00f5es, determina os valores diferenciais da for\u00e7a de atrito. Uma analogia simples para o fen\u00f4meno \u00e9 a ondula\u00e7\u00e3o formada pelo tecido diante do ferro de passar roupa\u201d, ilustrou Galv\u00e3o. <\/p>\n
\u201cSurpreendeu o fato de a for\u00e7a de atrito ser tanto maior quanto menor o n\u00famero de camadas de grafeno. Mas a analogia com o processo de passar roupa tamb\u00e9m ajuda a entender isso. Quando s\u00e3o superpostas v\u00e1rias pe\u00e7as de tecido, isso cria uma estrutura r\u00edgida, que praticamente n\u00e3o se deforma com o movimento do ferro. Analogamente, no grafite, que \u00e9 formado por muitas camadas de grafeno, a deforma\u00e7\u00e3o \u00e9 m\u00ednima. Por\u00e9m, quando o n\u00famero de camadas diminui, at\u00e9 chegar \u00e0 folha \u00fanica, a deforma\u00e7\u00e3o se torna bastante relevante\u201d, prosseguiu o pesquisador da Unicamp. <\/p>\n
\u201cA deforma\u00e7\u00e3o flexural produzida na folha de grafeno pela ponta do microsc\u00f3pio determina ondula\u00e7\u00f5es diferentes conforme a dire\u00e7\u00e3o. Movimentar essa ondula\u00e7\u00e3o na dire\u00e7\u00e3o zigzag \u00e9 bem mais f\u00e1cil do que na dire\u00e7\u00e3o armchair\u201d, resumiu Clara Almeida. <\/p>\n
Dito assim, parece simples. Mas, para explicar essa diferen\u00e7a, detectada experimentalmente, foi necess\u00e1rio conjugar tr\u00eas robustos recursos te\u00f3ricos: o modelo de Prandtl-Tomlinson, utilizado na descri\u00e7\u00e3o de mecanismos friccionais em escala at\u00f4mica; a din\u00e2mica molecular atom\u00edstica; e a teoria do funcional da densidade, decorrente da mec\u00e2nica qu\u00e2ntica. <\/p>\n
Segundo os pesquisadores, o efeito poderia ser entendido como uma manifesta\u00e7\u00e3o, em escala nanom\u00e9trica, do fen\u00f4meno cl\u00e1ssico da flambagem (encurvamento de uma barra quando submetida a compress\u00e3o axial), descrito matematicamente pelo grande matem\u00e1tico e f\u00edsico su\u00ed\u00e7o Leonhard Euler (1707 \u20131783) em 1744. <\/p>\n
Devido \u00e0s suas not\u00e1veis caracter\u00edsticas eletr\u00f4nicas, t\u00e9rmicas e mec\u00e2nicas, o grafeno \u00e9 um forte candidato para a fabrica\u00e7\u00e3o da pr\u00f3xima gera\u00e7\u00e3o de dispositivos eletr\u00f4nicos e de sistemas nanoeletromec\u00e2nicos (nanoelectromechanical systems \u2013 NEMS). <\/p>\n
Tais aplica\u00e7\u00f5es requerem a compreens\u00e3o das propriedades mec\u00e2nicas e tribol\u00f3gicas \u2013 isto \u00e9, decorrentes da intera\u00e7\u00e3o de superf\u00edcies em movimento relativo \u2013 desses materiais bidimensionais. <\/p>\n
\u201cA anisotropia que encontramos pode ser determinante para a fabrica\u00e7\u00e3o desses NEMS, cujo design demanda o conhecimento pr\u00e9vio da orienta\u00e7\u00e3o cristalina. Na maioria das vezes, as propriedades do material na configura\u00e7\u00e3o bidimensional [grafeno] s\u00e3o bem diferentes das propriedades j\u00e1 conhecidas na configura\u00e7\u00e3o tridimensional [grafite]\u201d, sublinhou Clara Almeida. <\/p>\n
Seu grupo, no Inmetro, come\u00e7ou a trabalhar com o grafeno em 2010, e, desde ent\u00e3o, realizou pesquisas nas \u00e1reas de metrologia de defeitos em grafeno; determina\u00e7\u00e3o da orienta\u00e7\u00e3o cristalogr\u00e1fica da folha de grafeno por meio de microscopia de for\u00e7a at\u00f4mica; utiliza\u00e7\u00e3o da AFM para manipula\u00e7\u00e3o do grafeno com vistas a criar novas nanoestruturas; e, agora, de nanotribologia desse material. <\/p>\n
Al\u00e9m de Almeida e de Galv\u00e3o participaram do estudo Rodrigo Prioli (Pontif\u00edcia Universidade Cat\u00f3lica do Rio de Janeiro), Benjamin Fragneaud (Universidade Federal de Juiz de Fora), Luiz Gustavo Can\u00e7ado (Inmetro\/Universidade Federal de Minas Gerais), Ricardo Paupitz (Universidade Estadual Paulista, campus de Rio Claro), Marcelo De Cicco (Inmetro), Marcos G. Menezes (Universidade Federal do Rio de Janeiro), Carlos A. Achete (Inmetro) e Rodrigo B. Capaz (Inmetro\/Universidade Federal do Rio de Janeiro). <\/p>\n