Os cientistas estão explorando o comportamento dos elétrons em tiras helicoidais de grafeno, uma forma única de grafeno com formato torcido.
O grafeno é um material conhecido por suas muitas propriedades interessantes. Como uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonal, sua resistência à tração é mais de 100 vezes maior que a do aço, mas é incrivelmente leve, flexível e transparente. Além disso, o grafeno conduz eletricidade e calor melhor do que quase todos os materiais conhecidos.
Graças às suas propriedades únicas, o grafeno encontrou aplicação em muitas indústrias e tecnologias, de baterias a células solares, eletrônicos flexíveis, sensores e muitos outros. Na prática, as folhas de grafeno são geralmente planas ou cilíndricas. No entanto, dado o escopo crescente de sua aplicação, seria útil entender o que aconteceria se a geometria das folhas de grafeno se tornasse mais complexa – mesmo que os benefícios práticos imediatos dessa mudança ainda não sejam conhecidos.
Uma geometria potencialmente interessante no estado sólido e na física da matéria condensada é uma superfície helicoidal, que é uma faixa torcida em torno de um eixo. Um dos exemplos mais famosos dessa geometria na natureza é fornecido pela dupla hélice do DNA, que armazena informações hereditárias nas células dos organismos vivos.
Relatividade geral e nanofitas de grafeno
Grande parte das propriedades de um material são governadas pelos elétrons que se movem através dele, portanto, para descobrir a física materialista, é necessário entender a dinâmica dessas partículas fundamentais.
Essa dinâmica em uma tira helicoidal de grafeno foi explorada teoricamente em um estudo recente publicado em Annalen der Physik por um grupo de teóricos do Peru e do Brasil liderados por Angel Obispo da Universidad Tecnológica del Perú.
Até o momento, as propriedades dos elétrons no grafeno têm sido extensivamente estudadas. No entanto, no presente estudo, a forma da tira é bastante complexa, o que obrigou Obispo e seus colegas a modificar primeiro a estrutura matemática usada para calcular os detalhes da dinâmica dos elétrons.
Dado que eles trabalharam com uma geometria curva, não é surpreendente que muitas das ferramentas matemáticas que eles usaram foram extraídas da relatividade geral, que trata a interação gravitacional como uma curvatura do espaço-tempo, e geralmente é usada para descrever a física de estrelas e galáxias. ou mesmo a evolução de todo o Universo.
Essa relação entre teorias usadas para descrever fenômenos e interações em escalas completamente diferentes é bastante comum na física; Por exemplo, foi usado recentemente para estudar a propagação de ondas em um líquido superfluido para descrever o universo em expansão.
Usando sua teoria modificada de elétrons no grafeno, a equipe foi capaz de calcular muitas das propriedades da faixa helicoidal do grafeno, sendo a mais notável a densidade de elétrons. Em uma tira plana, os elétrons são distribuídos quase uniformemente, mas os cálculos dos físicos mostram que, em uma superfície helicoidal, os elétrons preferem ficar longe do eixo do helicóide e, quanto mais a tira é torcida, mais forte é esse efeito.
Um campo magnético aplicado
Além do efeito da torção da tira na física do elétron, os pesquisadores estavam interessados na influência de um campo magnético, que frequentemente se apresenta em aplicações práticas. Eles aplicaram um campo diferente de zero direcionado ao longo do eixo do helicóide em sua descrição teórica e descobriram alguns efeitos interessantes.
Uma delas é que o campo magnético parece tornar o grafeno mais frágil com seus cálculos prevendo que, sob a influência do campo magnético, a tira começa a quebrar em um ângulo de torção menor do helicóide.
Como acontece com qualquer derivação teórica, essas descobertas devem ser verificadas experimentalmente. Os autores do estudo acreditam que sua teoria pode ser testada em um futuro próximo e, se o experimento confirmar a exatidão de suas conclusões, poderemos aprofundar as propriedades do grafeno e talvez até encontrar novas aplicações para ele.
Referências: CC Soares, AE Obispo, AG Jirón Vicente e LB Castro; Efeitos de um campo magnético uniforme em nanofitas de grafeno torcidasAnnalen der Physik (2023), DOI: 10.1002/andp.202200258
Crédito da imagem em destaque: nikitozawr no Pixabay
