Borofeno – Um Novo Capítulo no Desenvolvimento de Materiais 2D

Sintetizado pela primeira vez em 2015, o borofeno, uma folha de boro 2D anatomicamente fina e cristalina, já chamou a atenção de cientistas em todo o mundo. Descrito como 'o novo material maravilhoso' devido à sua flexibilidade e metalicidade anisotrópicas únicas, tem o potencial de revolucionar baterias, sensores e química catalítica. Este artigo resume a síntese, propriedades e aplicações potenciais do borofeno.

Síntese e Propriedades

Enquanto o grafeno assume uma única forma, o borofeno é um polimorfo, que pode ter muitas configurações de rede. Teoricamente, pode haver mais de 1000 formas de borofeno, cada uma com características diferentes. O borofeno foi sintetizado pela primeira vez por um grupo internacional de cientistas sob condições de vácuo ultra-alto usando uma fonte atômica de boro sólido. Um substrato de prata limpo atomicamente foi usado para fornecer uma superfície bem definida e inerte para o crescimento de borofeno. No local a caracterização eletrônica apoiou as previsões teóricas de que o polimorfo do borofeno que eles haviam fabricado com sucesso era metálico e formava estruturas planares com corrugação anisotrópica. Sua estrutura ondulada foi posteriormente atribuída à rigidez de flexão muito pequena do borofeno (ou seja, o momento necessário para produzir a rotação da unidade) e sua reatividade em relação à prata. Os autores demonstraram que tanto as propriedades eletrônicas quanto mecânicas do borofeno produzido eram altamente anisotrópicas.


Desde sua descoberta inicial, vários estudos foram realizados sobre a supercondutividade, mecânica, eletrônica e propriedades ópticas de diferentes polimorfos de borofeno. O borofeno agora foi fabricado usando vários substratos diferentes, incluindo ouro, cobre e alumínio. Um avanço significativo ocorreu em 2019, quando o borofeno autônomo foi sintetizado pela primeira vez usando um processo escalável.

Borofeno é forte, flexível e transparente . É um bom condutor de calor e eletricidade, e também supercondutor. De acordo com algumas previsões computacionais, o borofeno pode fazer a transição para supercondutividade em temperaturas mais altas que o grafeno. Cálculos de primeiro princípio indicaram que a temperatura de transição supercondutora pode ser tão alta quanto 24,7 K para alguns polimorfos de borofeno, que é muito maior do que os 8,1 K previstos computacionalmente e 7,4 K observados experimentalmente no grafeno. A anisotropia em suas propriedades mecânicas e elétricas o torna ajustável, o que está entre os motivos pelos quais cientistas e engenheiros estão entusiasmados com suas potenciais aplicações. Compreender como caracterizar e controlar a estrutura atômica do borofeno será crucial para a incorporação do borofeno com as propriedades desejadas nos produtos.

Embora muitos pesquisadores estejam entusiasmados com as propriedades únicas do borofeno, há barreiras significativas à comercialização desse material. Em primeiro lugar, o borofeno tem uma reatividade química relativamente alta e pode, portanto, ser difícil de manipular à temperatura ambiente. Permanece relativamente difícil de fabricar mesmo em pequenas quantidades. Como muitos materiais 2D, o borofeno é propenso à oxidação. Isso geralmente é considerado desvantajoso, no entanto, a oxidação pode ser usada para melhorar a estabilidade da estrutura e ajustar suas propriedades.

Aplicações do Borofeno

Uma ampla gama de aplicações que aproveitam as propriedades únicas do borofeno já estão surgindo, por exemplo:

Eletrônica flexível: Os materiais 2D podem permitir o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos híbridos em escala reduzida, projetados para aproveitar suas qualidades superiores. Os pesquisadores acreditam que a estrutura ondulada incomum do borofeno conferiria alta elasticidade se o borofeno fosse transferido para um substrato elastomérico. Em outras palavras, pode ser possível fabricar dispositivos usando borofeno que podem ser deformados e depois retornar à sua forma original. Como o borofeno é condutor, pode ser altamente adequado para dispositivos eletrônicos flexíveis. Um dos principais desafios enfrentados pelos pesquisadores é que, como muitos materiais 2D, o borofeno é altamente sensível ao ambiente externo e, até o momento, não demonstrou estabilidade e confiabilidade a longo prazo quando utilizado em dispositivos eletrônicos. Atualmente, os pesquisadores estão desenvolvendo novas técnicas de imagem para capturar o movimento de átomos individuais em materiais 2D, a fim de entender os possíveis modos de falha em dispositivos eletrônicos.


Eletrodos de bateria: As baterias de íon de lítio se tornaram onipresentes em dispositivos eletrônicos devido à sua alta densidade de potência e longo ciclo de vida. Nos últimos anos, as baterias de íons de sódio também se tornaram cada vez mais comuns devido ao seu baixo custo operacional e alta segurança operacional. A morfologia única dos materiais 2D permite a rápida difusão de íons e os torna candidatos adequados para uso como eletrodos. O borofeno é um material de eletrodo altamente promissor para baterias de íons de lítio e íons de sódio devido à sua alta capacidade de armazenamento, resultando em densidade de potência extremamente alta e desempenho eletroquímico. Um estudo recente relatou que a capacidade de armazenamento de borofeno é a maior de todos os materiais 2D investigados até o momento.


Catálise: Os materiais 2D mostram grande promessa para uso como catalisadores devido às suas propriedades únicas, incluindo grandes áreas de superfície e novos estados eletrônicos. O borofeno pode ser usado como um catalisador na evolução do hidrogênio, na redução do oxigênio e na redução eletroquímica do dióxido de carbono. A redução eletroquímica do dióxido de carbono, em particular, tem um enorme potencial de contribuição para os esforços de enfrentamento das mudanças climáticas. No entanto, o progresso tem sido lento como consequência da falta de catalisadores estáveis ​​e eficientes.

Armazenamento de hidrogênio: O hidrogênio tem a maior energia por massa de qualquer combustível. Nos últimos anos, a pesquisa em sistemas de armazenamento de hidrogênio tornou-se cada vez mais prevalente, impulsionada pela demanda por armazenamento de energia e pelo avanço das tecnologias de hidrogênio e células de combustível. O borofeno demonstrou ter uma impressionante capacidade de armazenamento de hidrogênio, em parte devido à baixa massa dos átomos de boro. A energia de ligação do hidrogênio molecular à folha de boro é mais forte do que a do grafeno.

Sensores de gás: As propriedades de adsorção de gás do borofeno o tornam adequado em aplicações de detecção de gás para diferentes gases, incluindo etanol, monóxido de carbono, fosgênio e formaldeído. Os materiais 2D demonstraram um potencial significativo para o desenvolvimento de sensores de gás devido às suas estruturas eletrônicas únicas e grandes proporções de área de superfície para volume.

Conclusões

O O desenvolvimento de materiais 2D é uma das fronteiras mais empolgantes da pesquisa de materiais atualmente. A síntese guiada computacionalmente do borofeno, pouco mais de uma década após a síntese do grafeno, pode ser considerada um modelo para o desenvolvimento de novos materiais 2D. Desafios técnicos significativos permanecem no desenvolvimento do borofeno, por exemplo, a ampliação dos processos de fabricação, mas suas qualidades únicas e sem precedentes provavelmente revelarão novos horizontes em eletrônica flexível, bateria e tecnologia de sensores.