Friday, 03 de December de 2021

Grafeno: conheça as propriedades deste incrível material que está revolucionando a área da tecnologia

Grafeno

A descoberta do grafeno: uma breve história sobre o uso do grafeno no mundo

O grafeno consiste em uma fina camada bidimensional composta por átomos de carbono organizados. Eles são organizados em estruturas hexagonais com uma altura equivalente a de um átomo. 

O grafeno é o material mais fino do mundo e pode ser produzido por meio da extração de camadas superficiais da grafite, que é um mineral abundante na terra, bem como é um dos mais simples alótopos do carbono. 

Ele é um material cuja as propriedades físicas como resistência mecânica, condutividade térmica e elétrica, leveza e transparência são dadas por suas ligações química e promete revolucionar a área tecnológica.

Assista o vídeo: A verdade sobre o grafeno.

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Apesar de ser um material tão fino (3 milhões de camadas de grafeno empilhadas umas sobre as outras têm a altura de 1 milímetro), a camada de grafeno é visível a olho nu em virtude de efeitos relativísticos que surgem em sua estrutura.

Outro fato interessante é que o grafeno é um material tão resistente que consegue ser 200 vezes mais forte do que o aço. 

Devido a sua elasticidade e transparência, ele pode ser tranquilamente mergulhado em líquidos sem enferrujar, além de conduizir eletricidade e calor melhor do que qualquer outro componente.

A existencia do grafeno já era conhecida desde 1930, contudo, foi somente em 2004 que os físicos Kostya Novoselov e Andre Geim conseguiram provar a sua existência autônoma. 

O métodos utilizado pelos cientistas para isolar o grafeno foi extremamente simples: eles foram colando e descolando uma fita adesiva grudada em uma lâmina de grafite, o mesmo utilizado em um lápis, até que restou uma camada única de átomos de carbono. 

Surpreendentemente, aquela camada de grafeno, usada pelos físicos para desenvolvimento de um transistor, manteve a sua estrutura e a sua condutividade inalteradas. 

Eles foram os primeiros cientistas a testarem algumas das propriedades excepcionais do material, tanto que em 2010, receberam o prêmio Nobel de física. 

Finalmente, uma das características que torna o grafeno tão atraente são os seus baixos custos de produção. O Brasil, que detém as maiores reservas de grafeno do mundo, já se encontra na corrida tecnológica, pesquisando métodos mais baratos e eficientes para produzir este material.

Atuação da indústria brasileira na exploração do grafeno

Veja este vídeo sobre a evolução do grafeno no Brasil.

No Brasil tem se estudado nanomateriais de grafite pelo menos desde a década de 90. Desta forma, no advento do grafeno em 2004 físicos Kostya Novoselov e Andre Geim, já havia uma infraestrutura de pesquisa prévia e recursos humanos para lidar com o tema em termos de conhecimento científico no país. 

As aplicações do grafeno na indústria no país ainda estão em fase inicial. Algumas empresas envolvidas no INCTNano (Magnesita, Nacional Grafite, Petrobrás, InterCement, Votorantim e Clariant) participaram das chamadas públicas do programa “Inova Mineral” lançadas pela Finep e pelo BNDES em 2016 e 2017. 

Recentemente, ao longo dos anos de 2019 e 2020, foram anunciadas algumas iniciativas para desenvolvimento de projetos e soluções de aplicação de grafeno de empresas nos mais variados setores. 

Entre essas empresas, destacam grandes nomes como Gerdau, Ford, Marcopolo, Randon, bem como as startups Autoscience, BoomaTech, CarbonUp, Nanogreen e Serall. Em 2020, fábricas implantadas em Minas Gerais e no Rio Grande do Sul, colocam o país entre os produtores globais do grafeno.
Por fim, também foi anunciado recentemente, a instituição da política nacional do grafeno para ajudar desenvolver o país.

A importância do grafeno para a economia e para a tecnologia

O grafeno tem sido considerado o material do futuro por muitos especialistas. Suas propriedades físicas o tornam um material com diversas aplicações tecnológicas por ser um supercondutor. 

Devido as características peculiares do grafeno, ele pode ser utilizado nos mais diversos setores introduzindo avanços significativos no mercado.

Suas propriedades químicas agem como um  ótimo elemento filtrante por exemplo. Por esse motivo, bem como pela dificuldade de sintetizar esse material, o seu custo é extremamente alto se comparado ao custo do grafite natural.

Frente a isso, vários países vem se interessando pelo tema e um deles é o Brasil.

Composição e onde é encontrado o grafeno

É importante destacar que existe na literatura diferentes formas de se classificar uma amostra de grafeno. 

De uma forma geral é considerado que após dez camadas atômicas de espessura o material passa a ser classificado como “nanoplacas de grafita”.

O termo grafeno é comumente empregado para materiais constituídos por múltiplas camadas de grafeno, apresentando parâmetros altamente diferenciados e específicos. 

Devido a este fator, é conferido a ele propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, ópticas, entre outras, superando materiais convencionais em diversas aplicações.

O grafeno não é encontrado na natureza em sua configuração bidimensional, isto é, contendo apenas um átomo de altura, apesar de ser um alótropo do carbono, como a grafite e o diamante.

Na sua forma bidimensional, o grafeno tem sua estabilidade química drasticamente reduzida. Em contraposição, ele adquire propriedades físicas e químicas, que o tornam ótimo condutor de calor e de corrente elétrica, tornando-se o material mais resistente até então conhecido. 

Dessa forma, na natureza, é privilegiada a ocorrência do grafeno de multicamada, que ababa sendo bem menos interessante para aplicações tecnológicas.

Processo de obtenção do grafeno

Segundo Nascimento et al. (2012),o grafeno pode ser obtido sob quatro processos principais: esfoliação em fase líquida, método de deposição química da fase vapor (CVD), esfoliação micromecânica e crescimento de grafeno epitaxial em SiC. Conheça um pouco mais sobre cada um desses processos:

Esfoliação química em fase líquida a partir do grafite

Este métodos consiste em fazer uma esfoliação química na fase líquida do grafite, com o objetivo de quebrar as interações de staking π-π (interações intermoleculares do tipo empilhamento) contida entre as camadas de grafeno. Essa técnica prova ser versátil por usar agentes químicos de fácil obtenção tais como o cloreto de potássio e os ácidos nítrico e sulfúrico.

Processo de obtenção pelo método CVD

O método CVD, consiste em obter grafeno através da deposição química na fase vapor em substratos de cobre. Isso acontece porque o cobre tem pouca afinidade com o carbono, ou seja, suas ligas são fracas já que possui uma configuração eletrônica estável. Isso torna, além de outras características, um material propício para o crescimento do grafeno em sua superfície. 

Esfoliação micromecânica

O método de esfoliação micromecânica é o mais simples. Ele consiste em aplicar uma fita adesiva em um grafite pirolítico altamente orientado (HOPG), depois retirar a fita adesiva contendo o grafite e em seguida colocar levemente em cima de um substrato de óxido de silício (SiO2). A folha de grafeno adere ao substrato por ter afinidade maior do que o próprio grafeno. Para eliminação dos vestígios de cola de adesivo do grafeno é utilizado uma câmara aquecida contendo argônio e hidrogênio, contudo, este método não produz uma quantidade eficaz comercialmente.

Crescimento de grafeno epitaxial em SiC

Dentre os diversos métodos para obtenção do grafeno nas superfícies do carbeto de silício (SiC), o que provém melhores resultados é o crescimento em pressão atmosférica. Este método consiste em colocar uma amostra de SiC dentro de um forno à uma pressão atmosférica em ambiente contendo argônio. O forno é aquecido até temperaturas variando de 1500ºC e 2000ºC ocorrendo assim a sublimação do silício do substrato. Desta forma, o carbono então fica depositado sobre a superfície do SiC, onde se reorganiza para formar as monocamadas do grafeno. 

Quer conhecer ainda mais as propriedades do grafeno? Assista esse vídeo sobre a revolução tecnológica e metodológica deste material.

Conheças os estudos com aplicações comprovadas e possíveis aplicações do grafeno que podem mudar o mundo

As aplicações tecnológicas do grafeno são vastas e está condicionada à capacidade de produção desse material em grandes escalas. 

Recentemente, um aluno da University State of California, conseguiu manter acesso um LED por até cinco minutos utilizadno um disco de grafeno a uma carga elétrica durante dois segundos.

Já em uma outra pesquisa pela Universidade de Manchester, foi possível provar as qualidades do grafeno na área de compósitos e revestimentos. O grafeno atua como uma espécie de impermeabilizante quando combinado junto a tinta, podendo ser aplicado em lugares como a lataria de um carro ou um casco de um navio, prevenindo o local revestido de possíveis oxidações. 

Além disso, o avanço da nanotecnologia com uso do grafeno se estende até a eletrônica, podendo ser usado em baterias que duram mais, deixando-as leves e com carregamento muito mais rápido.

Entre as possíveis aplicações do grafeno que poderiam mudar o mundo que conhecemos estão:

  • O grafeno substitui o ITO (óxido de estranho dopado com índio) que é utilizado em telas sensíveis. Desta forma, ele poderia ser utilizado para fabricação de telas de LED dobráveis e telas sensíveis ao toque mais resistentes para tablets e smartphones por exemplo;
  • Foi comprovado que o grafeno pode acelerar a internet, pois ele consegue realizar a conversão da informação ótica para a elétrica com uma velocidade cerca de 100 vezes mais rápida que os conversores elétricos;
  • Ele pode ser utilizado no setor de eletrônica para dissipar calor;
  • Por ser totalmente formado por área de superfície, o grafeno pode ser utilizado na produção de sensores;
  • Pode ser aplicado em dispositivos fotônicos;
  • Há também uma grande possibilidade de aplicação na indústria aeroespacial, naval, automotiva e civil, pois a produção de tintas com a incorporação do grafeno gera coberturas com alto desempenho na proteção à corrosão em ambientes severos, como plataformas marítimas e torres eólicas que operam em mar aberto;
  • O grafeno pode ser utilizado na produção de supercapacitores (dispositivos capazes de armazenar uma grande quantidade de energia com rápido ciclo de carga e descarga);
  • Ele pode ser aplicado em materiais compósitos, que são materiais formados pela união de materiais de natureza diferente, que tem como objetivo obter um produto de maior qualidade;
  • Para fazer próteses flexíveis e leves, além de implantes, dentro do campo da medicina;
  • Nas telecomunicações;
  • Também pode ser empregado na geração de energia no desenvolvimento de eletrodos para células fotovoltaicas dos painéis solares, em células de hidrogênio e em baterias de grande duração. Isso irá permitir um aumento significativo da capacidade de armazenamento de energia elétrica, bem como a fabricação de baterias mais seguras, leves e compactas, cobrindo uma gama de utilizações que vai desde o setor eletroeletrônico até o de mobilidade em veículos elétricos;
  • Em câmeras fotográficas mais sensíveis;
  • Na confecção de cabos de alta velocidade;
  • Em pinturas que absorvem energia, dentre outros.

Empresas que atuam no mercado de grafeno e áreas de exploração do mineral no Brasil

O Brasil é um dos países que possuem uma das maiores reservas mundiais de grafite e atualmente responde pela terceira maior produção do mineral. 

O estado de Minas Gerais lidera a produção nacional e contribui com mais de 70% do grafite produzido no País.

Com  investimentos recentes para desenvolvimento do centro de pesquisa para o grafeno (centro de pesquisa Mackgraphe localizado no interior da Universidade Mackenzie) em 2016.

A Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais, hoje Codemge, investiu na implantação de um CDTNano/UFMG (o Projeto MGgrafeno), instalado no Parque Tecnológico de BH (BHTEC) em 2018. Esta é a primeira planta piloto do Brasil para a produção de grafeno no país. 

O Projeto MGgrafeno nasceu de uma diretriz da então Codemig de valorizar os minerais extraídos em Minas Gerais, bem como com o objetivo principal de desenvolver uma tecnologia capaz de produzir um grafeno de alta qualidade e baixo custo, de forma reprodutível e em escala, além da demonstração de algumas aplicações atraentes que utilizem o nanomaterial produzido.

Já em 2020, houve a inauguração da planta de produção de grafeno instalada dentro do Parque de Ciência, Tecnologia e Inovação da UCS, da Universidade de Caxias do Sul (o maior da América Latina).

O país mostra-se determinado em alcançar avanços nessa área. Empresas como a Gerdau, anunciou recentemente uma nova empresa focada no desenvolvimento e comercialização de produtos com a aplicação de grafeno.

Descubras as vantagens do grafeno e possíveis impactos de sua extração no meio ambiente.

O grafeno possui inúmeras vagens, dentre elas:

  • Em pinturas que absorvem energia, dentre outros.
  • é extremamente fino e leve;
  • é altamente resistente ( cerca de 200 vezes mais resistente que o aço e é mais forte que o diamante, considerando as suas proporções)
  • é flexível;
  • possui alta condutividade térmica e elétrica 
  • é impermeável – sendo capaz de impedir a passagem até mesmo do hélio, um gás extremamente leve;
  • tem elevada dureza;
  • tem menor efeito Joule, pois ele perde menos energia na forma de calor ao conduzir os elétrons;
  • é transparente; dentre outros. 

Apesar de suas vantagens, um dos problemas da extração do grafeno é que ele não decompõe facilmente em lagos e rios e pode viajar longas distâncias na correnteza. Portanto, o risco de poluir os rios, fauna e flora por muito tempo é alto, não apenas no município, mas também na vizinhança do entorno.

Luciana Ramalhao
Arquiteta e Urbanista e Mestre em Planejamento e Desenvolvimento Urbano Regional. Conhece inúmeros projetos distribuídos em quase 20 países pelos quais já visitou. Além da construção civil, atua como pesquisadora científica e copywriter.