Grafeno e a próxima revolução

De acordo com a IUPAC, grafeno consiste em uma folha plana de átomos de carbono de hibridização sp² densamente compactados e com espessura de apenas um átomo, reunidos em uma estrutura cristalina hexagonal. Apresenta resistência térmica e mecânica elevada e boa condutividade elétrica. O óxido de grafeno é caracterizado pela presença de grupos funcionais oxigenados (carboxila e hidroxila) nas extremidades e superfície. Além disso, possuem melhor solubilidade e estabilidade em meio aquoso. Na realidade, o grafeno é o material mais forte, mais leve e mais fino que existe. Para se ter uma noção melhor, o grafeno é cerca de 200 vezes mais forte que o aço, e apenas uma camada de grafeno é capaz de suportar um elefante.

Vários países vêm trabalhando e estudando os benefícios que o grafeno incluindo o Brasil. O Brasil possui 11 universidades que produzem 1,26% da produção científica mundial sobre o grafeno (Unicamp, USP, UFMG, Uerj, UFC, Unesp, Ufscar, UFF, UFRJ, UFRGS e UFPR). Tal investimento é de suma importância, já que o grafeno vem do grafite, e o Brasil é o terceiro país com a maior reserva de grafite do mundo com cerca de 72 milhões de toneladas, ficando atrás somente da Turquia e China.

O grafeno já era estudado de forma teórica desde 1946, mas acreditava-se que compostos bidimensionais não poderiam existir, devido à instabilidade térmica quando isolados em uma única camada. Em 2004 cientistas da Universidade de Manchester no Reino Unido, conseguiram isolar o grafeno em laboratório, vencendo Nobel de Física em 2010. Para dois pesquisadores da equipe descobriu-se então, que as ligações covalentes entre os carbonos são tão pequenas e fortes, que impedem que as flutuações térmicas desestabilizem a molécula.

Para conseguir isolar o grafeno, os pesquisadores colaram e descolaram uma fita adesiva em um pedaço de grafite por várias vezes, obtendo uma camada cada vez mais fina de grafite quase transparente. Podendo identificar uma região com apenas uma única camada de grafeno, esse processo é chamado de clivagem micromecânica ou a técnica de fita adesiva. O processo foi muito engenhoso, mas isso não é nada escalável, não se pode montar uma linha de produção colando e descolando fita adesiva, mas há diversas outras técnicas de produção sendo estudadas.

Um dos métodos mais comuns e baratos de produzir grafeno é o mineral grafite do solo que separar química ou mecanicamente as folhas de grafeno. Esse processo é chamado de esfoliação, parecido com esfoliação de pele, produz grafeno de tamanho pequeno, mas de altíssima qualidade com elevado valor de mercado. O processo utilizado em 2004 pelos pesquisadores com a fita adesiva utilizou uma forma de esfoliação, mas existem outras técnicas de esfoliação muito promissoras para produção em massa. Ainda outras técnicas, como a deposição química de vapor ou CVD, onde se injeta o gás de hidrocarbonetos em um ambiente que se tem uma folha de metal, se aquece o ambiente para quebrar as moléculas do gás, liberando hidrogênio e mantendo apenas os átomos de carbono que adere na folha de metal. Esses carbonos se ligam facilmente com outros átomos de carbono, formando a estrutura do grafeno, porém o grafeno obtido dessa forma é de menor qualidade.

Existem diversos outros processos, mas esses são os principais, mas nenhum desses está em fase de produção em larga escala, como temos para o plástico por exemplo. A dificuldade na produção do grafeno também faz com que ele seja extremamente caro, o preço pode variar bastante dependendo do volume e da qualidade do grafeno, como impurezas e número de folha de grafeno sobrepostas. Ele pode ser encontrado numa faixa entre $20 e $2000 por quilo.

Aplicações:

A introdução de pequenas quantidades (de 0,01% em massa até 5%) de grafeno em materiais poliméricos pode levar ao aumento da condutividade, da resistência mecânica e química, e melhora nas propriedades térmicas. (ZARBIN,2013); Na energia, o grafeno atua como material de transporte dos elétrons células solares orgânicas e flexíveis, aumentando o rendimento desse dispositivo. Também são usados nas áreas de sensores, biossensores, eletrônica, purificação e descontaminação de água.

REFERÊNCIAS:

CARVALHO, Caio. Grafeno: conheça o material que vai revolucionar a tecnologia do futuro. Disponível em: <https://canaltech.com.br/produtos/grafeno-conheca-o-material-que-vai-revolucionar-a-tecnologia-do-futuro-25436>. Acesso em: 28 de Jul. 2020.

CAMARGOS, J. S. F., SEMMER, A. O., SILVA, S. N. Características e aplicações do grafeno e do óxido de grafeno e as principais rotas para síntese. Centro Federal Educação de Tecnologia de Minas Gerais (CEFET_MG), Departamento de Engenharias e Matériais (DEMAT), Brasil. Vol. 03. N. 08. 2017.

WALLACE, P. Russell. The Band Theory of Graphite. APS Physics. Disponível em: <https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.71.622>. Acesso em: 29 de Jul. 2020.

Nobel de Física vai para estudo do grafeno, material semicondutor. G1, 2010. Disponível em: <http://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2010/10/nobel-de-fisica-vai-para-andre-geim-e-konstantin-novoselov.html#:~:text=Andre%20Geim%20e%20Konstantin%20Novoselov%20receberam%20o%20pr%C3%AAmio%20Nobel%20de,%2C%20misturado%20com%20pl%C3%A1stico%2C%20superflex%C3%ADvel.>. Acesso em: 29 de Jul. 2020.

ALENCAR, Eduardo; SANTANA, Delano. Processos de Obtenção do Grafeno suas aplicações e sua importância para o Brasil. Grupo Oswaldo Cruz, 2016. Disponível em: <https://oswaldocruz.br/revista_academica/content/pdf/Edicao_16_ALENCAR_Eduardo.pdf> Acesso em 29 de Jul. 2020.

BROPP, Camille. UFPR está entre as instituições que mais produzem ciência sobre grafeno no Brasil; veja como o material é estudado. Universidade Federal do Paraná. 2019. Disponível em: <https://www.ufpr.br/portalufpr/noticias/ufpr-esta-entre-as-instituicoes-que-mais-produzem-ciencia-sobre-grafeno-no-brasil-veja-como-o-material-e-estudado/>. Acesso em: 04 de Agos. 2020.