borosfereno

B-40, a nanobola (quadrada) de boro. [Imagem: Wang Lab/Brown University]

Ou melhor: a nanobola quadrada. Melhor ainda: a nanobora quadrada. Trocadilhos à parte (ou não, porque esse texto vai ter um monte), há uma nova bola no campo da nanotecnologia. O time que a encontrou é formado por pesquisadores da China e dos Estados Unidos. A equipe foi a primeira a apresentar evidências experimentais de que átomos de boro podem se juntar numa cadeia tridimensional fechada — similar às chamadas buckyballs, moléculas de carbono em forma de bola de futebol.

Formadas por 60 átomos de carbono arranjados em pentágonos e hexágonos, as buckyballs foram descobertas há trinta anos — e foi com elas que os cientistas deram o pontapé inicial da pesquisa nanotecnológica. Pouco depois das nanobolas de carbono, foram descobertas os nanolençóis de carbono — o grafeno, que tem se revelado o nanomaterial mais versátil.

Depois das buckyballs (ou fulerenos) o mundo da química não foi mais o mesmo. Os químicos começaram a se perguntar se outros elementos também seriam capazes de formar suas respectivas nanobolas. Vizinho do carbono na tabela periódica, o boro sempre foi visto como um jogador promissor, mas os cálculos mostravam que seu fulereno não seria como o do carbono.

Sai Carbono, entra Boro

O problema é que o boro tem um elétron a menos que o carbono e, assim, não consegue formar a estrutura de 60 átomos das buckyballs. Se uma nanobola de boro existisse, sua estrutura teria um número diferente de átomos. Mas quantos?

Quem respondeu a essa pergunta foi um professor de Química na Brown University, Lai-Sheng Wang. Ele lidera um grupo de pesquisa que estuda o boro há anos. Num paper publicado no começo do ano, Wang e colaboradores mostraram que grupos de 36 átomos de carbono podem formar discos hexagonais de um átomo de espessura.

Esses discos poderiam ser juntados para formar um análogo do grafeno, apelidado de borofeno pelos pesquisadores. O trabalho preliminar de Wang também sugeria algo especial para estruturas com 40 átomos de boro, que pareciam ser anormalmente estáveis em comparação com outras estruturas. [Mais informações sobre esse estudo preliminar e o borofeno podem ser encontradas, em inglês, aqui]

Brincando com o autorama de elétrons

O trabalho para descobrir o arranjo dessa estrutura de 40 átomos de boro exigiu meses de modelagem em supercomputadores, trabalho experimental e até um “autorama de elétrons”. Como um jogo de futebol, a pesquisa foi dividida em dois tempos.

No primeiro tempo da pesquisa, o time de Wang jogou pela tática teórica. Num supercomputador, foram modelados mais de OITO MIL dez mil arranjos possíveis entre os 40 átomos de boro. As simulações virtuais estimavam não apenas a forma de cada estrutura possível, mas também as energias de ligação entre seus elétrons. Era como se estimassem a força da “costura” eletrônica que unia os gomos da nanobola de boro.

No segundo tempo, a equipe partiu para a tática experimental. Os cientistas da China e dos Estados Unidos passaram a testar as energias de ligação de estruturas de boro em laboratório. Para ser mais preciso, Wang e seu time jogaram o segundo tempo com uma técnica chamada espectroscopia fotoelétrica.

Na espectroscopia fotoelétrica, pedaços de boro foram submetidos a um laser para criar vapor de boro. Em seguida, um jato de hélio congelava o vapor em minúsculos aglomerados de átomos. Os aglomerados com 40 átomos foram então isolados por peso e expostos a um segundo laser, mais preciso, capaz de chutar um único elétron pra fora do aglomerado. Esse elétron chutado passava por um longo tubo que Wang apelidou de “autorama de elétrons”.

A velocidade do elétron ao voar pelo “autorama” foi usada para determinar a energia de ligação (ou força da costura) de elétrons do aglomerado testado (a nanobola de boro). A partir desse dado e das simulações do supercomputador, os pesquisadores poderiam saber como era o arranjo espacial da estrutura.

Bola cheia e Bola murcha

As experiências demonstraram que 40 átomos de boro podem se agrupar em duas estruturas com energias de ligação distintas, cujos valores batiam com o de dois modelos gerados pelo supercomputador. Uma das estruturas é descrita como uma molécula semi-plana (talvez seja como uma bola murcha) e a outra é considerada um similar de buckyball — é a tão buscada nanobola de boro.

O prof. Lai-Sheng Wang (centro) apresenta um modelo da nanobola de boro aos graduandos Wei-Li Li (esq.) e Zachary Piazza (dir.) [Imagem: Brown University]

O prof. Lai-Sheng Wang (centro) apresenta um modelo da nanobola de boro aos graduandos Wei-Li Li (esq.) e Zachary Piazza (dir.) [Imagem: Brown University]

“Essa é a primeira vez que uma bola de boro foi observada experimentalmente”, disse o prof. Wang ao Phys.org. A molécula, que foi apelidada de borosfereno, foi descrita em artigo publicado on-line no último dia 13/07 pela Nature Chemistry.

O borosfereno não é tão esférico quanto o fullereno, seu homólogo de carbono. Em vez de hexágonos e pentágonos, a nanobola de boro tem seus gomos em forma de 48 triângulos, 4 heptágonos e 2 hexágonos. Há alguma repulsão entre alguns átomos, o que torna a superfície do borosfereno menos redonda que a do fullereno. O resultado é alguma coisa entre uma esfera e um cubo — talvez a bola quadrada que o Quico tanto queria.

Mas pra que serve essa nanobola quadrada? Wang — que parece estar se divertindo com sua bolinha quadrada — se limita a dizer que ainda é muito cedo pra isso. Uma possibilidade, segundo o pesquisador, seria o armazenamento de hidrogênio. Graças á deficiência de elétrons do boro, o borosfereno poderia se ligar bem com hidrogênio. As nanobolas de boro poderiam ser úteis como nanotanques para moléculas de hidrogênio.

Nota

A modelagem computacional foi feita por dois grupos, um liderado pelo Prof. Si-Dian Li, da Shanxi University e outro na Tsinghua Univsersity, sob supervisão do Prof. Jun Li. A pesquisa foi financiada pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China.

Referência

rb2_large_gray25WANG et. al. Observation of an all-boron fullerene, Nature Chemistry. <http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.1999.html> Published online 13 July 2014
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