15 de dezembro de 2017

A chatice do Grafeno e seus superpoderes

Por Marco Gonzalez


Arte baseada em imagens do telescópio espacial Spitzer, tendo ao fundo a nebulosa de Helix (por NASA/IAC/NOAO/ESA/STScI/NRAO)

O grafeno, este cristal em duas dimensões, é tido como o material do futuro que promete nos surpreender com computadores supervelozes, equipamentos eletrônicos dobráveis, defesa contra o câncer, veleiros solares e outras proezas. 

O telescópio espacial Spitzer da NASA identificou sinais do grafeno em duas pequenas galáxias, as chamadas Nuvens de Magalhães, mas precisamos tê-lo por aqui e não no espaço. Então, pegue uma fita adesiva convencional e um lápis e aplique adequadamente um processo de esfoliação mecânica no grafite do lápis. Se tiver sorte, você sintetizará o grafeno. E se você tivesse conseguido essa proeza antes de 2004, ganharia o prêmio Nobel de Física. Foi o que fizeram os russos Andre Geim e Konstantin Novoselov em 2004, o que lhes rendeu o prêmio em 2010. 

Todo esse esforço se justifica. Materiais em escala nanométrica (1 a 100 nanometros, onde 1 nanometro = 1x10-⁹ metro), como o grafeno, apresentam propriedades interessantes. No caso dele, essas propriedades fazem com que seu preço também fique interessante. O valor do grafeno é aproximadamente 2,5 vezes maior que o do ouro e cerca de 500 vezes maior que o do grafite. 

Um cristal chato (em duas dimensões)

carbono é o sexto elemento mais abundante no universo, estando presente na forma orgânica ou em materiais inorgânicos. Ocorre na natureza sob três formas alotrópicas: carbono amorfo, diamante e grafite. A partir deste último podem ser sintetizadas estruturas de dimensões nanométricas, como o grafeno. 

Os riscos que vemos no papel, quando escrevemos ou desenhamos com um lápis, são folhas de átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonal. Como elas não estão ligadas entre si, deslizam facilmente uma sobre a outra e podem ser vistas no papel.

É uma espécie de mágica, com o grafeno nem tudo é o que parece. Ele é um cristal que trapaceia para poder existir em apenas duas dimensões. O grafeno simula a terceira dimensão fazendo seus átomos vibrarem aleatoriamente e, assim com este talento, não se pode dizer que ele é totalmente chato. 

Pode-se dizer, então, que sua espessura corresponde ao tamanho de um átomo de carbono (aproximadamente 1 Ångström = 10-⁸ cm) e se empilharmos três milhões de camadas de grafeno, veremos que a altura da pilha formada não ultrapassará 1 milímetro. 

Para sintetizar o grafeno a partir do grafite há dois processos principais: (i) a esfoliação mecânica (o método usado pelos ganhadores do Nobel) e (ii) a decomposição química em vapor de metano. Nenhum deles, por enquanto, pode ser realizado em escala industrial devido ao alto custo.


Imagem de grafeno em varredura microscópica (por U. S. Army Materiel Command)


Propriedades do grafeno

O grafeno apresenta diversas propriedades descritas aquiaqui e aqui. Em alguns casos, os números podem ser discrepantes de um lugar para outro, o que se justifica porque, com o grafeno, tudo é diferente e novo. Algumas propriedades são listadas a seguir:
  • baixa densidade (um metro quadrado de grafeno pesa cerca de 0,77 miligramas);
  • elevada dureza;
  • altos índices de condutividade elétrica (conduz corrente elétrica à temperatura ambiente melhor que qualquer outro material e é 100 vezes mais eficaz como condutor elétrico que o silício);
  • alta resistência mecânica (quase 200 vezes a mais que o aço);
  • elevada impermeabilidade (inclusive a átomos de Hélio);
  • alta flexibilidade;
  • alta condutividade térmica;
  • alta estabilidade química (embora possa ser ligado a grupamentos químicos diversos);
  • extremamente fino (mais fino que um fio de cabelo humano);
  • alta transparência (absorve apenas 2,3% da luz que incide sobre ele e, portanto, é quase invisível a olho nu) e
  • elevada condutividade térmica.
Aplicações do grafeno

O grafeno parece ser capaz de tudo, graças às suas propriedades. Seguem algumas aplicações:

Energia barata e ilimitadaUm só pedaço de grafeno de 10 x 10 mícrons (20.000 vezes menor que a cabeça de um alfinete) poderia armazenar dez microwatts de energia. Uma pequena quantidade de grafeno faria um relógio de pulso funcionar indefinidamente e implantes biológicos não necessitariam de baterias pesadas.

Internet super-rápida. A velocidade de transmissão de dados pode ser aumentada cerca de 100 vezes usando interruptores ópticos construídos com grafeno.

Equipamentos dobráveis. Pode viabilizar tablets e smartphones tão espessos e tão flexíveis quanto uma folha de papel.

Embalagens perfeitasÉ capaz de isolar bem a umidade e o oxigênio, facilitando a conservação de alimentos.

Refrigeração espacialExperimento em desenvolvimento visa demonstrar que o grafeno pode melhorar a eficiência do sistema de refrigeração no espaço.

Velas solares. Outro experimento busca avaliar se velas (como as dos veleiros) construídas com grafeno podem ser utilizadas como meio de propulsão a partir da luz solar, dispensando combustível.

Um mar de água potávelEstá em desenvolvimento uma "peneira" que usa óxido de grafeno para filtrar o sal da água do mar.

Supercomputadores. Já foi possível sintetizar um cristal de grafeno quase perfeito, que suporta frequências 100 vezes maiores que a suportada pelo silício. Com ele, os computadores serão mais eficientes, terão menor consumo de energia e diminuirão de tamanho. Resta ainda a automatização e a otimização da produção deste tipo de material.

Acelerador de reações químicas. Está sendo avaliado o uso do grafeno em processos de catálise.

Resistência digna de ficção. Uma solução de água com grafeno dada a aranhas permitiu que elas elaborassem teias super-resistentes. Construídas em escala apropriada, poderiam interromper o voo de um avião comercial.


Tijolo de 2,5 kg suportado por um pedaço de aerogel de 2 g (por NASA/JPL-Caltech)

Telas inquebráveis em telefones celulares. Telas assim serão possíveis com uma tecnologia que usa nanopartículas de prata e grafeno.

Roupas futuristasFibras de algodão com grafeno viabilizarão roupas mais resistentes com sensores minúsculos capazes de monitorar os sinais vitais ou até substituir o telefone celular.

Energia chuvosa. Uma placa fotovoltáica, que utiliza grafeno, é capaz de produzir energia a partir dos raios solares ou de gotas de chuva. O sal contido na chuva se separa em íons e, em combinação com o grafeno, produz energia.

Chá purificador. Pacotinhos como os de chá, contendo óxido de grafeno, é capaz de descontaminar água com metais tóxicos como o mercúrio.

Correndo com grafeno. Há promessa de que, em 2018, chegue ao mercado um tênis de corrida com solas 50% mais fortes, 50% mais flexíveis e 50% mais resistentes a desgastes.

Baterias velozes. Sem previsão de lançamento, a Samsung apresentou tecnologia capaz de criar baterias, utilizando grafeno, com 45% mais de capacidade e cinco vezes mais velocidade de recarga do que as tradicionais.

Super painéis solares. Equipe internacional desenvolve estruturas híbridas bidimensionais de grafeno com propriedades ópticas e fotoelétricas controláveis ​​para uso em painéis solares com eficiência superior aos convencionais.

E há também muitas aplicações promissoras na área da saúde.

Detector de câncer de mama. Microchip de grafeno pode localizar um nódulo seis meses antes de ele brotar no seio. Ainda não foi avaliado em seres humanos.

A camisinha do futuro. Preservativo de grafeno conduz mais calor que o látex.

Vida nova à vista. Lente de contato a base de grafeno implantada permitirá enxergar no escuro ao captar todo o expectro de raios infravermelhos.

A prisão dos tumores. Será possível isolar célula cancerosa (com glioma) através de uma película de grafeno.

Homens biônicos. Próteses mais leves, fortes e duráveis a base de grafeno melhoram, nos movimentos, a conversão das sinapses.

Pele eletrônica. Um tecido epitelial a base de grafeno mais resistente e mais elástico que a pele humana e sensível ao toque poderá ser utilizado para regenerar tecidos ou produzir enxertos em vítimas de queimaduras.

Leitura do DNA a jato. Nova técnica de sequenciamento genético a base de grafeno será mais rápida e mais barata que os métodos convencionais
Reservas e produção de grafite

Alguns países saem em vantagem na corrida para o futuro, ao possuírem reservas de grafite, pois a partir de 1 kg deste material é possível extrair 150 g de grafeno.


Reservas de grafite em 2016 (fonte)

No Brasil, as reservas de grafite encontram-se em Minas Gerais, Ceará e Bahia.


País
Produção
(mil t)
Brasil
80
Canadá
21
China
780
Índia
170
Coreia do Norte
30
Madagascar
8
México
22
Noruega
8
Rússia
15
Sri Lanka
4
Turquia
32
Ucrânia
5
Zimbabue
7
Total
1182
Produção mundial de grafite em 2016


Estima-se que o mercado de grafeno terá potencial para, em 10 anos, alcançar até US$ 1 trilhão. 

Em direção ao grafeno

Em 2016, foi inaugurado, no campus Higienópolis do Mackenzie, em São Paulo, o Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias, instalado em uma área de 4 mil m². Foram investidos R$ 100 milhões neste centro, sendo o primeiro do gênero na América Latina. O MackGraphe promete concorrer com os consolidados centros de estudo de grafeno europeus, asiáticos e americanos. 

O projeto MG Grafeno tinha em 2016 a previsão de investimentos de R$ 21,3 milhões para a produção, ainda em escala piloto, de grafeno a partir do grafite natural. Minas Gerais trabalha para ter até 2020 a primeira planta do Brasil com produção em escala comercial. Os recursos são da Companhia de Desenvolvimento Econômico de Minas Gerais (Codemig).

Que os poderes deste cristal de forma chata bidimensional nos surpreendam logo neste nosso mundo tridimensional.

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