Comparado ao grafite, o grafeno possui melhorias notáveis em propriedades como resistência à tração, flexibilidade, condutividade elétrica e condutividade térmica. A descoberta deste nanomaterial bidimensional (2D) feito de uma única camada de átomos de carbono impulsionou um interesse crescente na aplicação potencial de camadas de outros materiais com a espessura de um átomo.
Com base nessa fundação, pesquisadores têm trabalhado para desenvolver outros materiais com a espessura de um átomo, cada um com propriedades e aplicações potenciais únicas.
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O que é o grafeno?
O desenvolvimento do grafeno, uma camada de átomos de carbono com a espessura de um átomo organizada em uma rede hexagonal, foi relatado pela primeira vez em 2004. Materiais 2D revolucionários como este possuem uma alta relação superfície-volume e são muito mais finos, fortes, leves e flexíveis do que os materiais tradicionais à base de carbono. Além disso, as dimensões extremamente reduzidas e os efeitos de confinamento quântico do grafeno conferem-lhe propriedades inovadoras não presentes em materiais a granel, como transparência e semicondutividade. Materiais com a espessura de um átomo também interagem fortemente com outros materiais em compósitos, levando a efeitos sinérgicos benéficos.
Pesquisadores de materiais podem usar o CAS SciFinder para pesquisar na literatura de ciência dos materiais, identificando relações estrutura-propriedade e métodos de síntese que apoiam a inovação.
Três categorias de camadas com a espessura de um átomo
Incentivados pelo sucesso do grafeno, os cientistas começaram a estudar outras camadas de materiais com a espessura de um átomo. A pesquisa atual concentra-se em três tipos de materiais, categorizados com base em sua composição:
- X-enos: Substâncias livres de metais, como grafeno, fosforeno, nitreto de boro, siliceno e nitreto de carbono grafítico
- Metal-X-enos: Compostos contendo metais, como carbonetos, calcogenetos, nitretos, óxidos, hidróxidos e haletos de metais de transição
- Metalenos: Metais e ligas como goldene, estaneno e germaneno, que podem ser ainda categorizados em bimetaleno, trimetaleno, etc.
A Figura 1 traça o histórico da pesquisa sobre materiais 2D desde a descoberta do grafeno.
A Figura 2 apresenta as subcategorias e os materiais individuais com a espessura de um átomo dentro delas, suas propriedades importantes e sua relação com várias aplicações.
As propriedades únicas das camadas de ouro com a espessura de um átomo
Dentre os metalenos em desenvolvimento, o goldene — uma camada única de átomos de ouro — apresenta novas possibilidades científicas notáveis. Com potencial para exibir propriedades catalíticas e características ópticas únicas, o goldene é promissor para aplicações em catálise e optoeletrônica.
O que torna o goldene um candidato potencialmente importante para uso em células solares, sensores, baterias e outros dispositivos eletrônicos?
- Espessura: O goldene é 400 vezes mais fino que a folha de ouro comercial e espera-se que tenha uma espessura de 0,2-0,4 nm. Relatos anteriores sobre camadas de ouro com a espessura de um átomo suportadas em substratos mostram que elas são semicondutoras, com um bandgap de 0,95-2,85 eV.
- Estabilidade térmica: Previsões teóricas indicam que o goldene é termicamente estável até 1400 K, o que é semelhante ao ouro em massa e às nanopartículas de ouro
- Força de ligação: A energia calculada por ligação do goldene é de 0,94 eV, valor superior aos 0,52 eV do ouro em massa, devido ao menor número de ligações por átomo.
- Elasticidade: Prevê-se que o módulo de elasticidade (Young) do goldene seja de 226 GPa, valor superior aos 76-80 GPa do ouro em massa e aos 60 GPa das nanofolhas de ouro, sendo semelhante ao do aço A36.
Considerando o alto custo do ouro, as propriedades mecânicas do goldene podem ser menos importantes, já que essas aplicações geralmente exigem grandes quantidades de material. No entanto, as melhorias nas propriedades elétricas, catalíticas, ópticas e biomédicas do goldene são muito importantes, pois são demandadas por muitas tecnologias emergentes e cruciais.
Aplicações potenciais do goldene
As oportunidades para camadas de ouro com a espessura de um átomo são ainda mais empolgantes. Além de seu uso ornamental e comercial, o ouro já é um metal importante na ciência e tecnologia, com aplicações em eletrônica, catálise heterogênea, eletrocatálise, sensores, fotônica e biomedicina. Como essa tecnologia é nova, há um número limitado de publicações relacionadas a camadas de ouro com a espessura de um átomo até o momento. Portanto, optamos por revisar as publicações que contêm nanoestruturas de ouro ligeiramente mais espessas, como nanofolhas, nanoplacas e filmes, para uma análise das aplicações relatadas do ouro 2D.
Analisamos as palavras-chave indexadas na CAS Content Collection™ a partir de publicações que relatam metalenos e ouro 2D (Figura 3). Os conceitos predominantes nas publicações sobre metalenos estão relacionados à eletrocatálise e ao armazenamento de energia eletroquímica, principalmente devido aos metalenos feitos de metais nobres que não o ouro, como paládio, ródio, platina e suas ligas.
Em contrapartida, as publicações relacionadas a nanoestruturas de ouro 2D destacam aplicações como sensores, entrega de medicamentos, terapia fototérmica e catálise heterogênea. Isso se deve principalmente à ressonância de plásmon de superfície única exibida por apenas alguns metais, como ouro e prata. A natureza inerte e biocompatível do ouro, combinada com suas propriedades elétricas e ópticas únicas, tornou-o um material de confiança para aplicações biomédicas.
Desafios que dificultam o desenvolvimento do goldene
Para capturar o potencial deste material inovador, pesquisadores estão trabalhando para superar muitos desafios e tornar o goldene viável para aplicações amplas.
Dentre as três categorias de materiais com a espessura de um átomo, a síntese de metalenos é a mais desafiadora. Isso se deve à natureza isotrópica das ligações na maioria dos metais, o que os leva a preferir estruturas compactas, como nanopartículas e nanoestruturas unidimensionais (1D). Em contraste, muitos compostos de metais de transição e não metais são compostos por estruturas em camadas mantidas unidas por forças de van der Waals, tornando-os mais fáceis de separar em camadas individuais em uma abordagem top-down.
Um vasto número de nanopartículas e nanoestruturas 1D e 2D de ouro foi sintetizado e demonstrou alto desempenho em várias aplicações. No entanto, a preparação de ouro 2D com a espessura de um átomo permaneceu um desafio. A maioria das nanoestruturas de ouro 2D relatadas até agora são camadas com a espessura de um átomo suportadas em outros materiais ou feitas de camadas com vários átomos. Camadas de ouro com a espessura de um átomo têm uma forte tendência termodinâmica a se aglutinar em filmes descontínuos feitos de ilhas de nanopartículas.
Um relatório de 2022 sobre a síntese de goldene foi contestado por outros cientistas, sugerindo que ele foi feito com várias camadas de ouro em vez de uma. No entanto, um relatório recente sobre a síntese de goldene, onde a camada de ouro com a espessura de um átomo foi estabilizada por surfactantes e ligantes, atraiu grande atenção.
Uma desvantagem potencial do goldene é que ele possui uma resistência à tração de apenas 12 GPa, o que é muito menos do que os 100-200 GPa do ouro em massa. O desafio de estabilizar o goldene sem surfactantes e ligantes também deve ser considerado, já que a presença dessas moléculas na superfície pode prejudicar significativamente as propriedades do ouro dependentes da superfície, que são tão desejadas.
O futuro do goldene é promissor?
A escalabilidade do desenvolvimento do goldene e a amplitude de suas aplicações ainda precisam ser observadas. No entanto, não há dúvida de que as propriedades únicas e fascinantes dos materiais com a espessura de um átomo continuarão a atrair interesse comercial e de pesquisa.
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