Pesquisadores desenvolvem “Goldene” – uma nova forma de ouro ultrafino com propriedades semicondutoras

Pela primeira vez, os cientistas conseguiram criar folhas de ouro com apenas uma única átomo camada espessa. O material foi denominado goldene. De acordo com investigadores da Universidade de Linköping, na Suécia, isto deu ao ouro novas propriedades que podem torná-lo adequado para utilização em aplicações como a conversão de dióxido de carbono, produção de hidrogénio e produção de produtos químicos de valor acrescentado. Suas descobertas são publicadas na revista Síntese da Natureza.

Os cientistas há muito tentam fazer folhas de ouro com a espessura de um único átomo, mas falharam devido à tendência do metal de se aglomerar. Mas pesquisadores da Universidade de Linköping conseguiram agora sucesso graças a um método centenário usado por ferreiros japoneses.

“Se você fizer um material extremamente fino, algo extraordinário acontece – como acontece com grafeno. A mesma coisa acontece com o ouro. Como você sabe, o ouro geralmente é um metal, mas se tiver a espessura de uma camada de átomo único, o ouro pode se tornar um semicondutor”, diz Shun Kashiwaya, pesquisador da Divisão de Design de Materiais da Universidade de Linköping.

Lars Hultman, professor de física de filmes finos e Shun Kashiwaya, pesquisador da Divisão de Design de Materiais da Universidade de Linköping. Crédito: Olov Planthaber

A Criação de Goldene

Para criar o goldene, os pesquisadores usaram um material de base tridimensional onde o ouro é incorporado entre camadas de titânio e carbono. Mas criar o goldene provou ser um desafio. De acordo com Lars Hultman, professor de física de filmes finos na Universidade de Linköping, parte do progresso se deve ao acaso.

“Criamos o material base com aplicações completamente diferentes em mente. Começamos com uma cerâmica eletricamente condutora chamada carboneto de titânio e silício, onde o silício está em camadas finas. Aí a ideia foi revestir o material com ouro para fazer contato. Mas quando expusemos o componente a altas temperaturas, a camada de silício foi substituída por ouro dentro do material base”, diz Lars Hultman.

Pela primeira vez, os cientistas conseguiram criar folhas de ouro com apenas uma camada de átomo de espessura. Crédito: Olov Planthaber

Intercalação e descoberta

Esse fenômeno é chamado de intercalação e o que os pesquisadores descobriram foi carboneto de ouro e titânio. Durante vários anos, os pesquisadores tiveram carboneto de ouro de titânio sem saber como o ouro pode ser esfoliado ou extraído, por assim dizer.

Por acaso, Lars Hultman encontrou um método que tem sido usado na arte da forja japonesa há mais de cem anos. É chamado de reagente de Murakami, que remove resíduos de carbono e muda a cor do aço na fabricação de facas, por exemplo. Mas não foi possível usar exatamente a mesma receita dos ferreiros. Shun Kashiwaya teve que analisar as modificações:

“Tentei diferentes concentrações do reagente de Murakami e diferentes intervalos de tempo para o ataque. Um dia, uma semana, um mês, vários meses. O que notamos foi que quanto menor a concentração e mais longo o processo de ataque, melhor. Mas ainda não foi suficiente”, diz ele.

Shun Kashiwaya, pesquisador da Divisão de Design de Materiais da Universidade de Linköping. Crédito: Olov Planthaber

Estabilização de Folhas de Ouro

A gravação também deve ser realizada no escuro, pois o cianeto se desenvolve na reação ao ser atingido pela luz e dissolve o ouro. O último passo foi estabilizar as folhas de ouro. Para evitar que as folhas bidimensionais expostas se enrolassem, foi adicionado um surfactante. Neste caso, uma longa molécula que separa e estabiliza as folhas, ou seja, um tensoativo.

“As folhas douradas estão em solução, um pouco como flocos de milho no leite. Usando uma espécie de “peneira”, podemos coletar o ouro e examiná-lo com um microscópio eletrônico para confirmar que obtivemos sucesso. O que temos”, diz Shun Kashiwaya.

Lars Hultman, professor de física de filmes finos na Universidade de Linköping. Crédito: Olov Planthaber

Aplicações potenciais e pesquisas futuras

As novas propriedades do goldene se devem ao fato do ouro possuir duas ligações livres quando bidimensional. Graças a isto, as aplicações futuras poderão incluir a conversão de dióxido de carbono, catálise geradora de hidrogénio, produção seletiva de produtos químicos de valor acrescentado, produção de hidrogénio, purificação de água, comunicação e muito mais. Além disso, a quantidade de ouro utilizada nas aplicações atuais pode ser muito reduzida.

O próximo passo para os pesquisadores da LiU é investigar se é possível fazer o mesmo com outros metais nobres e identificar aplicações futuras adicionais.

Referência: “Síntese de goldene compreendendo ouro de camada de átomo único” por Shun Kashiwaya, Yuchen Shi, Jun Lu, Davide G. Sangiovanni, Grzegorz Greczynski, Martin Magnuson, Mike Andersson, Johanna Rosen e Lars Hultman, 16 de abril de 2024, Síntese da Natureza.
DOI: 10.1038/s44160-024-00518-4