O grafeno, uma forma bidimensional de carbono cristalino, é uma única camada de átomos de carbono que forma uma estrutura de favo de mel (hexagonal) ou várias camadas acopladas dessa estrutura de favo de mel. A palavra grafeno, quando usada sem especificar a forma (por exemplo, grafeno de duas camadas, grafeno de múltiplas camadas), geralmente se refere ao grafeno de camada única. O grafeno é uma forma original de todas as estruturas grafíticas do carbono: grafite, que é um cristal tridimensional que consiste em camadas de grafeno relativamente fracamente acopladas; nanotubos, que podem ser representados como rolos de grafeno; e buckyballs, moléculas esféricas feitas de grafeno com alguns anéis hexagonais substituídos por anéis pentagonais.
Primeiros estudos de grafeno
O estudo teórico do grafeno foi iniciado em 1947 pelo físico Philip R. Wallace como um primeiro passo para entender a estrutura eletrônica da grafite. O termo grafeno foi introduzido pelos químicos Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton e Eberhard Stumpp em 1986 como uma combinação da palavra grafite, referente ao carbono em sua forma cristalina ordenada, e o sufixo -ene, referente aos hidrocarbonetos aromáticos policíclicos nos quais os átomos de carbono formam estruturas de anel hexagonais ou de seis lados.
Em 2004, os físicos Konstantin Novoselov e Andre Geim, da Universidade de Manchester, isolaram o grafeno de camada única usando um método extremamente simples de esfoliação da grafite. Seu "método de fita adesiva" usava fita adesiva para remover as camadas superiores de uma amostra de grafite e depois aplicar as camadas a um material de substrato. Quando a fita foi removida, um pouco de grafeno permaneceu no substrato na forma de camada única. De fato, a derivação de grafeno não é uma tarefa difícil por si só; sempre que alguém desenha com um lápis no papel, o traço do lápis contém uma pequena fração de grafeno de camada única e multicamada. A conquista do grupo de Manchester não foi apenas para isolar flocos de grafeno, mas também para estudar suas propriedades físicas. Em particular, eles demonstraram que os elétrons no grafeno têm uma mobilidade muito alta, o que significa que o grafeno poderia ser usado em aplicações eletrônicas. Em 2010, Geim e Novoselov receberam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho.
Nestas primeiras experiências, o substrato para o grafeno era coberto de silício naturalmente por uma fina camada transparente de dióxido de silício. Descobriu-se que o grafeno de camada única criava um contraste óptico com o dióxido de silício, suficientemente forte para tornar o grafeno visível sob um microscópio óptico padrão. Essa visibilidade tem duas causas. Primeiro, os elétrons no grafeno interagem fortemente com os fótons nas frequências visíveis da luz, absorvendo cerca de 2,3% da intensidade da luz por camada atômica. Segundo, o contraste óptico é fortemente aprimorado por fenômenos de interferência na camada de dióxido de silício; esses são os mesmos fenômenos que criam cores do arco-íris em filmes finos, como filme de sabão ou óleo na água.
