De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da Universidade do Arizona (University of Arizona) descobriram que, ao integrar nanofitas de grafeno em dispositivos semicondutores e expô-las à radiação gama, essas nanofitas podem funcionar como sensores avançados de radiação para reatores de fusão e aplicações no espaço profundo. Os resultados foram publicados na revista ACS Applied Materials & Interfaces.
A equipe de pesquisa integrou nanofitas de grafeno (GNRs) em dispositivos semicondutores e testou sua resposta à radiação gama. Os resultados experimentais mostraram que essas nanofitas podem operar em ambientes extremos, como reatores de fusão e exploração espacial profunda, onde a radiação intensa representa um desafio para os sensores de silício existentes. Os pesquisadores destacaram que o monitoramento cuidadoso da degradação dos materiais ajuda a manter a operação confiável de sistemas críticos nesses ambientes. O pesquisador principal, Zafer Mutlu, professor assistente de Ciência e Engenharia de Materiais na Faculdade de Engenharia da Universidade do Arizona, afirmou que os dispositivos sobreviveram e responderam à exposição à radiação, mas suas propriedades elétricas sofreram mudanças significativas.
Em aplicações de energia de fusão, sensores baseados em GNR podem ajudar a desenvolver fontes de energia de fusão limpas e quase ilimitadas, melhorando a forma como os engenheiros monitoram o estado da primeira parede de reatores nucleares. A primeira parede é a barreira mais interna que separa o combustível superaquecido da estrutura do reator, degradando-se gradualmente sob radiação intensa, exigindo inspeção e substituição periódicas. Atualmente, ao rastrear esse dano, os sensores de silício existentes não conseguem sobreviver dentro da primeira parede, sendo necessária sua colocação fora da barreira, dependendo apenas de medições indiretas e inspeções físicas após a parada, o que é caro e demorado.
Experimentos de exposição gama mostraram que a estrutura atômica das nanofitas permaneceu intacta, enquanto geravam uma resposta elétrica forte e mensurável. Essa descoberta indica que sensores baseados em GNR podem ser projetados para operar mais próximos do núcleo do reator do que os dispositivos eletrônicos atuais, reduzindo as paradas para inspeção e manutenção e aumentando o tempo de operação das usinas de fusão.
Este é o primeiro estudo sobre a resposta de nanofitas de grafeno à radiação gama. Anteriormente, as GNRs já eram amplamente estudadas para impulsionar a tecnologia de chips além dos limites do silício, devido ao seu tamanho microscópico e durabilidade excepcional. Há alguns anos, pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) do Departamento de Energia dos EUA adicionaram grafeno ao cobre de grau elétrico e descobriram que ele reduzia o coeficiente de temperatura da resistência do metal, sem diminuir a condutividade elétrica à temperatura ambiente. O grafeno também foi descoberto como capaz de melhorar o desempenho de baterias de íons de lítio, aumentando a densidade de energia e melhorando o ciclo de vida.
No estudo da Universidade do Arizona, a equipe liderada por Mutlu sintetizou as nanofitas em nível molecular e, em seguida, as incorporou em dispositivos semicondutores comuns. Eles usaram uma técnica de fabricação emergente, resultando em nanofitas com cerca de nove átomos de largura, um átomo de espessura e aproximadamente 45 nanômetros de comprimento, dezenas de milhares de vezes mais finas que um fio de cabelo humano. Mutlu explicou que essas minúsculas nanofitas seguem as leis da física quântica, em vez da física clássica. Sem radiação, a corrente elétrica flui através das GNRs de maneira definida. As medições dos pesquisadores mostraram que a radiação gama que atravessa o ar circundante produz moléculas reativas que alteram as bordas das nanofitas, sem modificar sua estrutura geral. Nessa escala, os efeitos quânticos amplificam o impacto de pequenas mudanças na transmissão de sinais elétricos.
Os pesquisadores acreditam que essas mudanças desencadeiam um efeito quântico chamado localização de Anderson (Anderson localization), que captura elétrons transportadores, reduzindo drasticamente a corrente elétrica e gerando um sinal mensurável de exposição à radiação, que pode fornecer dados mais precisos para o planejamento de manutenção de reatores.
Os pesquisadores da Universidade do Arizona estão colaborando com parceiros industriais para expandir a escala da tecnologia-chave e levar a energia de fusão para a rede elétrica. Os pesquisadores também acreditam que os sensores GNR podem fornecer dados sobre o estado de saúde de sistemas espaciais, incluindo satélites de comunicação, satélites de observação da Terra e sondas de espaço profundo, identificando sinais precoces de desgaste relacionado à radiação antes que ocorram falhas, sendo cruciais para manter a confiabilidade de infraestruturas espaciais críticas.
Mutlu e seus colaboradores planejam testar os mesmos dispositivos sob diferentes doses de radiação e explorar GNRs de diferentes tamanhos. Mutlu acredita que o método de síntese usado no estudo permitirá que os pesquisadores projetem materiais em nível atômico e molecular, personalizando novas nanofitas para alcançar diferentes sensibilidades. Esse nível de controle é essencial para futuros sistemas espaciais que operam por longos períodos sob exposição contínua à radiação, podendo suportar tanto chips semicondutores resistentes à radiação quanto sensores que rastreiam o desempenho do sistema ao longo do tempo.
