Você está prestes a resolver problemas clássicos de circuitos elétricos, mas antes… vamos pensar como químicos!
O grafeno não é um metal, mas também conduz eletricidade muito bem. O que explica essa propriedade, do ponto de vista atômico e eletrônico?
O grafeno não é um metal, mas também conduz eletricidade muito bem. O que explica essa propriedade, do ponto de vista atômico e eletrônico?
Passo 1
O enunciado pergunta por que o grafeno, embora não seja um metal, conduz eletricidade de forma tão eficiente. Vamos examinar sua estrutura atômica e eletrônica para entender a origem dessa alta condutividade.
Passo 2
Cada átomo de carbono no grafeno é
-hidridizado, formando três ligações
com seus vizinhos num arranjo hexagonal plano. Sobra um orbital
perpendicular ao plano, não envolvido nas ligações
.
Esses orbitais se sobrepõem lateralmente ao longo da rede, gerando um sistema de elétrons
completamente delocalizados. Esses elétrons
não estão presos a um átomo específico, podendo se mover livremente pela folha de grafeno.
Esses orbitais
Passo 3
A estrutura de bandas do grafeno revela que ele é um semimetal de gap zero. Próximo aos chamados pontos de Dirac no espaço de momentos, a relação de dispersão é linear:
onde
m/s é a velocidade de Fermi. Nessa região, os portadores de carga se comportam como férmions de Dirac sem massa efetiva.
Passo 4
Por causa da rede
delocalizada e da dispersão linear, os elétrons no grafeno sofrem pouquíssima dispersão e apresentam mobilidade muito alta. Isso permite transporte quase balístico de cargas, resultando numa condutividade excepcional.
Resposta
A excelente condução do grafeno vem da hibridização
que cria uma nuvem de elétrons
delocalizados e de sua estrutura de bandas com gap zero e cones de Dirac, onde portadores massivos deslocam-se com altíssima mobilidade.