Via EurekAlert:
Cornell University Communications

Cientistas da Uinversidade Cornell criam o menor balão do mundo — apenas um átomo de espessura

Usando apenas um pouco de grafite, um pedaço de fita adesiva e um wafer de silício, os  pesquisadores da Cornell criaram uma membrana em forma de balão que tem apenas um átomo de espessura — mas é forte o bastante para conter gases sob várias atmosferas de pressão sem estourar.

E, ao contrário de seu balão de aniversário comum — ou mesmo de um recipiente grosso e resistente de vidro — a membrana é ultra-forte, a prova de vazamentos e impermeável até para os elusivos átomos de hélio.

A pesquisa, realizada pelos antigo estudante de pós-graduação de Cornell, Scott Bunch, (agora um professor  assistente na Universidade do Colorado), o professor de física da  Cornell,  Paul McEuen  e colegas da  Cornell, pode levar a várias outras tecnologias — desde novas maneiras de imagear materiais biológicos dentro de soluções, até técnicas para estudar os movimentos dos átomos ou íons através de orifícios microscópicos.

O trabalho foi realizado pelo Centro de Pesquisas de Materiais da Cornell, apoiado pela Fundação Nacional de Ciências e publicado em uma recente edição de Nano Letters.

Grafeno, uma forma de átomos de carbono em um plano com a espessura de um átomo, é o material mais forte do mundo, com estreitas ligações covalentes em duas dimensões que o mantém unido como a membrana mais estreita possível. Ele também é um semimetal, o que quer dizer que ele conduz eletricidade com mudanças em seu ambiente eletrostático.

Os cientistas descobriram. há vários anos, que isolar películas de grafeno é simples: basta colar fita adesiva a grafite pura, descascar e re-grudar a um wafer de dióxido de silício. Ao ser descascada novamente do wafer, a fita deixa um resíduo de grafite com uma espessura que varia e uma a uma dúzia de camadas — e, a partir daí, os pesquisadores podem identificar facilmente as áreas de grafeno com uma camada apenas de espessura.

Para testar a elasticidade do material, a equipe de Cornell depositou  grafeno em um wafer entalhado com buracos, encerrando gás dentro das micro-câmeras seladas com grafeno. Então, eles criaram um diferencial de pressão entre o gás dentro e fora da microcâmera. Com um microscópio  de medição de força atômica, que mede o grau de deflexão que um pequeno cantilever experimenta enquanto varre alguns nanômetros da superfície da membrana, os pesquisadores observaram o grafeno, enquanto ele defletia para dentro ou para fora, em resposta às mudanças de pressão — de até várias atmosferas — sem romper.

Eles também transformaram a membrana em um pequeno tambor,  medindo sua freqüência de oscilação em diferentes pressões. Eles descobriram que o hélio, o segundo menor elemento  (e o menor gás testável, já que o hidrogênio gasoso faz moléculas aos pares), permanece aprisionado por uma parede de grafeno — mais uma vez, mesmo sob pressões de várias atmosferas.

“Quando se faz os cálculos, é de se esperar que nada possa atravessar, de forma que não é uma surpresa científica”, disse McEuen. “Mas a experiência com efeito comprova que a membrana está perfeita”  — uma vez que até mesmo um buraco do tamanho de um átomo permitiria que o hélio escapasse com facilidade.

Uma membrana assim pode ter todo o tipo de emprego, acrescenta ele.  Ela pode formar uma barreira em um dispositivo tipo aquário, por exemplo, permitindo aos cientistas imagear materiais biológicos em soluções, através de uma parede praticamente invisível, sem sujeitar o microscópio ao ambiente úmido.  Ou os pesquisadores poderiam perfurar buracos do tamanho de átomos na membrana e usar o sistema para estudar como átomos isolados ou íons passam através da abertura.

“Isso poderia servir como um tipo de sucedâneo artificial para um canal iônico para a biologia”, disse  McEuen — ou como um meio de medir as propriedades de um átomo, observando seu efeito sobre a membrana.

“O que se está fazendo é ligar um sistema macroscópico às propriedades de um único átomo” , ele declarou, “e isso fornece oportunidades para todos os tipos de sensores para átomos isolados”.

Os co-autores da publicação são os estudantes de pós-graduação em física da Cornell,  Arend van der Zande e Jonathan Alden; o pesquisador pós-doutorado Scott Verbridge; e os professores Jeevak Parpia  e Harold Craighead.

Por Lauren Gold