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.

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. 

Sobre o MackGraphe

O MackGraphe – Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias – foi criado em 2013 e teve seu novo edifício inaugurado em março de 2016. É o maior centro de pesquisas aplicadas em grafeno e nanomateriais do país e insere o Brasil no mapa da inovação. O MackGraphe conta com setores específicos para estudo e manejo de nanomateriais, visando a aplicações em três segmentos: Fotônica, Energia e Compósitos.

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.