Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências

Um estudo internacional publicado na revista Nature Communications revelou, pela primeira vez, o mecanismo físico-químico que permite controlar de forma rápida, precisa e reversível as propriedades elétricas do grafeno, um dos materiais mais promissores da ciência moderna. A pesquisa contou com a participação de cientistas do Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará (UFC), consolidando a presença da instituição em investigações de grande impacto na área de materiais avançados e nanotecnologia.

O trabalho demonstrou como é possível transformar o grafeno de condutor em isolante elétrico por meio de um processo chamado hidrogenação eletroquímica, no qual prótons de hidrogênio se ligam à superfície do material sob a ação de um campo elétrico. O processo é totalmente reversível: ao inverter o potencial aplicado, os átomos de hidrogênio se desprendem da superfície, e o grafeno recupera sua condutividade original.

Um processo até um milhão de vezes mais rápido

Os pesquisadores comprovaram que a hidrogenação eletroquímica do grafeno é até 1 milhão de vezes mais rápida do que métodos tradicionais baseados em plasmas ou feixes de hidrogênio. Essa velocidade excepcional abre novas possibilidades para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos ultrarrápidos e de baixo consumo energético.

O estudo também revelou que o processo ocorre por meio de uma reação de redução, na qual os prótons competem com a formação espontânea de moléculas de hidrogênio gasoso. Mesmo com essa competição, a adsorção de hidrogênio no grafeno é extremamente eficiente e controlável.

“Interruptor” atômico para eletrônica do futuro

Durante os experimentos, os cientistas observaram que ografeno pode alternar rapidamente entre os estados condutor e isolante apenas com a aplicação de uma tensão elétrica adequada.

Esse comportamento se mantém estável por milhões de ciclos, sem degradação significativa do material, o que caracteriza o grafeno como um verdadeiro “interruptor atômico”.

Esse tipo de controle é estratégico para o desenvolvimento de:

• novos transistores,

• dispositivos de memória,

• eletrônica baseada em íons,

• sistemas para computação neuromórfica e aplicações em inteligência artificial.

Rugas no grafeno aumentam ainda mais a eficiência

Outro resultado relevante do trabalho foi a descoberta de que nano-ondulações (rugas microscópicas) no grafeno aumentam significativamente a eficiência da hidrogenação. Amostras com pequenas corrugações apresentaram correntes eletroquímicas até 20 vezes maiores, devido à redução da barreira de energia para a ligação do hidrogênio ao material.

Esse resultado demonstra que não apenas a composição, mas também a geometria do grafeno em escala nanométrica, pode ser usada como ferramenta para controlar suas propriedades.

Hidrogênio pesado torna o material mais estável

Os pesquisadores também testaram a substituição do hidrogênio comum por deutério, um isótopo mais pesado. O uso do deutério permitiu que a transição do grafeno para o estado isolante ocorresse com potenciais elétricos menores, além de gerar um estado isolante ainda mais estável. Esse efeito abre caminhos para novas estratégias de otimização de dispositivos baseados em grafeno.

Impacto científico e tecnológico

A elucidação do mecanismo da hidrogenação eletroquímica do grafeno representa um avanço fundamental para a engenharia de materiais bidimensionais, permitindo o controle preciso de suas propriedades eletrônicas por meios químicos e elétricos. A técnica poderá ser estendida para outros íons, como flúor e oxigênio, ampliando ainda mais o leque de aplicações.

Participação do Centro de Ciências da UFC

A pesquisa contou com a participação de pesquisadores do Departamento de Física da UFC, Prof. Raimundo Nogueira da Costa Filho e do Prof. Visitante François Peeters, que contribuíram diretamente para as análises teóricas do processo. A presença da universidade em um estudo publicado em um dos periódicos científicos mais prestigiados do mundo reforça o papel da UFC como centro de excelência em pesquisa de ponta nas áreas de física da matéria condensada, nanotecnologia e ciência dos materiais.

Referência do artigo: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65771-3

Diretoria do Centro de Ciências