Propriedades Electrónicas
Uma das propriedades mais úteis do grafeno é que é um semimetal de sobreposição zero (com furos e electrões como portadores de carga) com uma condutividade eléctrica muito elevada. Os átomos de carbono têm um total de 6 elétrons; 2 na casca interna e 4 na casca externa. Os 4 elétrons da casca externa em um átomo de carbono individual estão disponíveis para ligação química, mas no grafeno, cada átomo está conectado a 3 outros átomos de carbono no plano bidimensional, deixando 1 elétron livremente disponível na terceira dimensão para condução eletrônica. Estes elétrons altamente móveis são chamados de elétrons pi (π) e estão localizados acima e abaixo da folha de grafeno. Estes orbitais pi sobrepõem-se e ajudam a melhorar as ligações entre o carbono e o carbono no grafeno. Fundamentalmente, as propriedades electrónicas do grafeno são ditadas pela ligação e anti-ligação (as bandas de valência e de condução) destes orbitais pi.
Pesquisa compilada nos últimos 50 anos provou que no ponto Dirac do grafeno, os electrões e os furos têm massa efectiva zero. Isto ocorre porque a relação energia – movimento (o espectro para excitações) é linear para energias baixas perto dos 6 cantos individuais da zona Brillouin. Estes elétrons e furos são conhecidos como fermions Dirac, ou Graphinos, e os 6 cantos da zona Brillouin são conhecidos como os pontos Dirac. Devido à densidade zero de estados nos pontos Dirac, a condutividade electrónica é na verdade bastante baixa. Entretanto, o nível Fermi pode ser alterado por dopagem (com elétrons ou furos) para criar um material potencialmente melhor na condução de eletricidade do que, por exemplo, o cobre à temperatura ambiente.
Testes mostraram que a mobilidade eletrônica do grafeno é muito alta, com resultados previamente relatados acima de 15.000 cm2-V-1-s-1 e teoricamente limites potenciais de 200.000 cm2-V-1-s-1 (limitados pela dispersão dos fótons acústicos do grafeno). Diz-se que os elétrons de grafeno agem muito como fótons em sua mobilidade devido à sua falta de massa. Estes portadores de carga são capazes de percorrer distâncias submicrométricas sem dispersão; um fenómeno conhecido como transporte balístico. No entanto, a qualidade do grafeno e do substrato que é utilizado serão os fatores limitantes. Com o dióxido de silício como substrato, por exemplo, a mobilidade é potencialmente limitada a 40.000 cm2-V-1-s-1.
“Em termos de quão longe estamos para compreender as verdadeiras propriedades do grafeno, esta é apenas a ponta do iceberg. Antes que o grafeno seja fortemente integrado nas áreas em que acreditamos que vai se sobressair, precisamos gastar muito mais tempo para entender exatamente o que o torna um material tão surpreendente”
Força Mecânica
Outras propriedades do grafeno é a sua força inerente. Devido à resistência de suas ligações de carbono de 0,142 Nm de comprimento, o grafeno é o material mais forte já descoberto, com uma resistência à tração final de 130.000.000.000 Pascals (ou 130 gigapascals), comparado com 400.000.000 para o aço estrutural A36, ou 375.700.000 para o Aramid (Kevlar). Não só o grafeno é extraordinariamente forte, como também é muito leve a 0,77 miligramas por metro quadrado (para efeitos de comparação, 1 metro quadrado de papel é cerca de 1000 vezes mais pesado). Diz-se frequentemente que uma única folha de grafeno (sendo apenas 1 átomo de espessura), de tamanho suficiente para cobrir um campo de futebol inteiro, pesaria menos de 1 grama.
O que torna isto particularmente especial é que o grafeno também contém propriedades elásticas, sendo capaz de manter o seu tamanho inicial após a deformação. Em 2007, foram realizados testes microscópicos de força atômica (AFM) em placas de grafeno que estavam suspensas sobre cavidades de dióxido de silicone. Estes testes mostraram que as folhas de grafeno (com espessuras entre 2 e 8 Nm) tinham constantes de mola na região de 1-5 N/m e um módulo de Young (diferente do da grafite tridimensional) de 0,5 TPa. Mais uma vez, estas figuras superlativas são baseadas em perspectivas teóricas usando grafeno que não contém nenhuma imperfeição e que actualmente é muito caro e difícil de reproduzir artificialmente, embora as técnicas de produção estejam a melhorar constantemente, acabando por reduzir custos e complexidade.
Propriedades ópticas
A capacidade do grafeno para absorver uma luz branca bastante grande de 2,3% é também uma propriedade única e interessante, especialmente considerando que tem apenas 1 átomo de espessura. Isto deve-se às suas propriedades electrónicas acima mencionadas; os electrões actuam como portadores de cargas sem massa com uma mobilidade muito elevada. Há alguns anos, foi provado que a quantidade de luz branca absorvida se baseia na Constante de Estrutura Fina, em vez de ser ditada por materiais específicos. A adição de outra camada de grafeno aumenta a quantidade de luz branca absorvida em aproximadamente o mesmo valor (2,3%). A opacidade do grafeno de πα ≈ 2,3% equivale a um valor de condutividade dinâmica universal de G=e2/4ℏ (±2-3%) na faixa de frequência visível.
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Devido a estas características impressionantes, foi observado que uma vez que a intensidade óptica atinge um certo limiar (conhecido como a fluência de saturação) ocorre uma absorção saturável (a luz de intensidade muito alta causa uma redução na absorção). Esta é uma característica importante no que diz respeito ao mode-locking dos lasers de fibra. Devido às propriedades do grafeno de absorção saturável ultra-sensível ao comprimento de onda, o travamento em modo de banda total foi conseguido utilizando um laser de fibra de soliton dissipador de érbio-docado capaz de obter um ajuste de comprimento de onda tão grande quanto 30 nm.
Em termos de quão longe estamos para compreender as verdadeiras propriedades do grafeno, esta é apenas a ponta do iceberg. Antes que o grafeno seja fortemente integrado nas áreas em que acreditamos que vai se sobressair, precisamos gastar muito mais tempo para entender exatamente o que o torna um material tão incrível. Infelizmente, apesar de termos muita imaginação para apresentar novas ideias para potenciais aplicações e usos para o grafeno, é preciso tempo para apreciar completamente como e o que é realmente o grafeno, a fim de desenvolver estas ideias em realidade. Isto não é necessariamente uma coisa ruim, no entanto, pois nos dá oportunidades de tropeçar em outros super-materiais previamente subpesquisados ou negligenciados, tais como a família de estruturas cristalinas 2D que o grafeno nasceu.