Em 2004, Andre Geim e Konstantin Novoselov, ambos físicos da Universidade de Manchester, no Reino Unido, utilizaram uma fita adesiva comum para isolar, pela primeira vez, uma folha atômica de grafite, inaugurando uma nova classe de materiais. Conhecido como grafeno, o material conduzia eletricidade tão bem quanto o cobre, era um excelente condutor de calor e, embora sua estrutura muito compacta de carbono o fizesse muito denso, sua espessura ultrafina conferia extrema flexibilidade. A própria obtenção do grafeno foi considerada um feito surpreendente na época, dado que era impensável que materiais cristalinos formados por apenas uma camada atômica fossem estáveis. Tamanho foi o impacto da descoberta que, seis anos após a obtenção do grafeno, a dupla foi agraciada com o Nobel de Física. 

Embora mais de duas décadas tenham se passado desde a descoberta de Geim e Novoselov, cientistas continuam explorando essa nova classe de materiais, conhecida como materiais bidimensionais (2D) ou lamelares. Esses materiais consistem em uma ou poucas camadas atômicas e exibem comportamentos físicos que muitas vezes desaparecem em suas formas tridimensionais, ampliando o leque de potenciais aplicações tecnológicas. 

A física Ingrid Barcelos, pesquisadora do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), parte do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (Cnpem), integra um dos grupos brasileiros dedicados ao estudo desses materiais. A pesquisa de Barcelos é centrada no estudo de materiais 2D derivados de filossilicatos, minerais encontrados na natureza, e conta com financiamento da FAPESP. Segundo Barcelos, embora os filossilicatos sejam muito abundantes na natureza, eles ainda são pouco estudados. A pesquisadora ressalta que, devido ao seu baixo custo quando comparados a materiais 2D sintéticos, esses minerais se apresentam como opções acessíveis para aplicações tecnológicas. Além de serem potencialmente mais sustentáveis, já que têm origem natural e não são processados, causando menor impacto ambiental ao serem descartados.      

Do grafeno aos minerais naturais

Os filossilicatos são formados pela combinação de átomos de silício e oxigênio, que se organizam estruturalmente em camadas empilhadas, formando o mineral. Assim como Geim e Novoselov, Barcelos utiliza fitas adesivas para esfoliar, ou seja, separar mecanicamente as camadas desses minerais, produzindo flocos de espessuras nanométricas. Segundo a pesquisadora, a separação desses materiais em camadas ultrafinas só é possível pois as interações entre as diferentes camadas sobrepostas são fracas o suficiente para permitir a separação, enquanto as ligações entre os átomos de cada camada são fortes o suficiente para manter a integridade da camada. “É como se você tivesse um pacote de folhas A4 em que você consegue tirar folha por folha desse pacote. E cada folha é uma camada atômica”, explica.

Barcelos conta que os filossilicatos possuem características físicas que conferem propriedades de isolantes elétricos a esses materiais. Segundo ela, no universo de materiais 2D, poucos apresentam esse comportamento, e um dos mais utilizados, o nitreto de boro hexagonal, apresenta custo elevado para obtenção do material com alta qualidade cristalina e produção concentrada em poucos locais no mundo, o que limita o seu acesso.