Olá pessoal sejam bem-vindos a mais um material, e nesta semana vamos conversar não apenas de um material especifico, mas sim de uma classe de materiais que promete ser uma das classes mais promissores de um futuro não tão distante. Por sinal alguns desses materiais já fazem partem de muitas aplicações.
São os materiais 2D: materiais que tem como estrela principal nada mais nada menos que o grafeno. Mas o que são esses materiais? O que eles podem nos oferecer de novo? Fiquem ligados que é o que iremos explicar.
Nós estamos acostumados a usar inúmeros materiais no dia-dia, e o que eles têm em comum é que todos possuem três dimensões, ou seja, todo material possui um comprimento, uma largura e uma altura, mesmo que sejam de tamanhos tão variados, como por exemplo uma pá de turbina eólica, ou até mesmo um palito de fósforo. Agora imagine um material com apenas duas dimensões? Mas pode? Sim, na verdade até os materiais 2D possuem uma terceira dimensão, mas ele é tão fino, tão fino que sua espessura fica na escala atômica ou molecular, sendo relevante apenas as outras duas dimensões.
Mas o que muda com relação aos materiais que possuem as 3 dimensões bem definidas? Na verdade, tudo. Há uma alteração brutal nas mais variadas propriedades, sejam elas mecânicas, térmicas ou até mesmo elétricas. Temos como primeiro material 2D descoberto no mundo o grafeno.
O grafeno foi o primeiro material bidimensional do mundo, sendo um material extremamente fino, mas com imensa flexibilidade e força. O grafeno já passou pelo mundo dos materiais, temos um texto dedicado só para ele (acesse aqui). Após a descoberta do grafeno a ciência abre novas portas para o estudo e a descoberta de novos materiais 2D, com o isolamento de outros materiais bidimensionais.
Com isso não demorou muito até surgir outros materiais com propriedades interessantes, como o caso do nitreto de boro hexagonal (h-BN), surpreendendo os pesquisadores, principalmente na resistência a propagação de trincas. O nitreto de boro hexagonal é extremamente semelhante ao grafeno: os dois materiais possuem redes cristalinas hexagonais de átomos. No caso do grafeno, todos esses átomos são de carbono; mas para h-BN, cada hexágono contém três átomos de boro e três átomos de nitrogênio.
O grafeno e o boro hexagonal são semelhantes, mas não iguais, principalmente na resposta ao surgimento de uma trinca por exemplo. No caso do grafeno ao aparecer uma trinca, ela tende a se propagar pela sua estrutura hexagonal, fazendo um ziguezague para cima e para baixo extremamente simétrico. Já no nitreto de boro hexagonal esse ziguezague é levemente assimétrico, devido ao contraste de tensões entre o boro e o nitrogênio, provocando uma bifurcação nessa trinca, diminuindo a intensidade dessa força, visto que ela se divide em duas, tornando o material muito mais resistente.
O nitreto de boro hexagonal possui aplicações na eletrônica, ou ainda em situações que necessite de alta resistência ao calor e estabilidade química, podendo ter aplicações em tecnologias como têxteis eletrônicos, tatuagens eletrônicas adesivas e até implantes.
Outros materiais que estão surgindo recentemente são os MXenes, sendo considerados os materiais 2D mais versáteis do momento. Mas o que são esses materiais? Temos uma boa definição retirado do site https://engenheirodemateriais.com.br que nos diz: “As estruturas 2D vêm de um grupo de precursores chamado de MAX Phases. A sigla MAX representa a composição química desse grupo de cerâmicos, dada por um metal de transição (M), um elemento da família A (geralmente IIIA ou IVA) e carbono ou nitrogênio. No processo de produção dos derivados bidimensionais, conhecido por esfoliação, ocorre a retirada do elemento A, o que explica a origem do termo “MX”. Já o final “ene” é proveniente das semelhanças em termos de morfologia entre a estrutura obtida e o grafeno, que em inglês é chamado de “graphene”. Assim, MXene vem de MAX phase sem A + graphene, o que explica muito do material em um único termo”.
Os MXenes possuem estruturas e propriedades únicas, com uma combinação de ductilidade e condutividade elétrica, sendo uma grande aposta na produção de baterias de Li-íon, ou até mesmo na construção de supercapacitores. A alteração dos grupos funcionais ligados aos MXenes possibilita a modificação da condutividade elétrica do material, tendo aplicação direta na indústria de semicondutores.
Mas com a própria evolução na pesquisa de novos materiais, acabou surgindo os materiais 2,5D. Mas o que significa nisso? “O conceito 2,5D simboliza a liberdade da composição, dos materiais, dos ângulos e do espaço normalmente usados na pesquisa de materiais 2D”, explica o cientista de nanomateriais e principal autor, Hiroki Ago, da Universidade Kyushu, no Japão.
A fabricação dos materiais 2,5D se dá pelo processo a plasma denominado (CVD), ou deposição química a vapor, no qual se consegue empilhar uma camada de átomos ou moléculas de cada vez, numa superfície sólida. Os substratos são os materiais nos quais essas camadas atômicas serão empilhadas. Os materiais 2,5D incluem o grafeno, o nitreto de boro hexagonal (hBN) (um composto usado em cosméticos e aeronáutica) e dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs – um semicondutor de nanofolhas). Mas esses novos materiais ainda necessitam de muito estudo e esforço de diversos cientistas.
Com isso terminamos por aqui. Esse texto foi mais curto, porém essa classe de materiais traz grandes expectativas para o futuro da ciências e engenharias de materiais, além de outros setores que serão beneficiados com novas descobertas e aplicações desses novos materiais. Com isso ficamos por aqui, até o nosso próximo material.