Onde encontrar o grafeno? Como usá-lo?

Em Tecnologias inovadoras por André M. Coelho

O grafeno tem recebido toda a atenção por ser um material com propriedades únicas no mundo. Suas aplicações só começaram a surgir, e muitas pesquisas já estão apontando o material como uma revolução nos mais diversos campos. Mas o que é o grafeno? Onde ele é aplicado? Como conseguir esse material?

O que é grafeno?

O grafeno, o bem conhecido e agora famoso alótropo do carbono bidimensional, é um material tão versátil quanto qualquer outro descoberto na Terra. Suas propriedades surpreendentes como o material mais leve e mais forte, comparado com sua capacidade de conduzir calor e eletricidade melhor do que qualquer outra coisa, significam que ele pode ser integrado em um grande número de aplicações. Inicialmente, isso significará que o grafeno será usado para ajudar a melhorar o desempenho e a eficiência de materiais e substâncias atuais mas, no futuro, ele também será desenvolvido em conjunto com outros cristais bidimensionais (2D) para criar alguns compostos ainda mais surpreendentes uma gama ainda maior de aplicações. Para entender as possíveis aplicações do grafeno, você deve primeiro entender as propriedades básicas do material.

A primeira vez que o grafeno foi produzido artificialmente; os cientistas literalmente pegaram um pedaço de grafite e o dissecaram camada por camada até restar apenas uma única camada. Esse processo é conhecido como esfoliação mecânica. Esta monocamada de grafite resultante (conhecida como grafeno) tem apenas 1 átomo de espessura e é, portanto, o material mais fino possível de ser criado sem se tornar instável ao ser aberto aos elementos (temperatura, ar, etc.). Como o grafeno tem apenas 1 átomo de espessura, é possível criar outros materiais interpondo as camadas de grafeno com outros compostos (por exemplo, uma camada de grafeno, uma camada de outro composto, seguida por outra camada de grafeno e assim por diante), efetivamente usando grafeno como andaime atômico do qual outros materiais são projetados. Esses compostos recém-criados também podem ser materiais superlativos, assim como o grafeno, mas com potencialmente ainda mais aplicações.

Após o desenvolvimento do grafeno e a descoberta de suas propriedades excepcionais, não surpreendentemente o interesse por outros cristais bidimensionais aumentou substancialmente. Esses outros cristais 2D (como nitreto de boro, disseleneto de nióbio e sulfeto de tântalo (IV)) podem ser usados ​​em combinação com outros cristais 2D para um número quase ilimitado de aplicações. Então, como exemplo, se você pegar o composto Magnésio Diboreto (MgB2), que é conhecido como sendo um supercondutor relativamente eficiente, então intercala suas camadas atômicas alternadas de boro e magnésio com camadas individuais de grafeno, melhora sua eficiência como um supercondutor. Ou, outro exemplo seria no caso de combinar o mineral Molibdenita (MoS2), que pode ser usado como um semicondutor, com camadas de grafeno (grafeno sendo um fantástico condutor de eletricidade) ao criar memória flash NAND, para desenvolver memória flash a ser muito menor e mais flexível do que a tecnologia atual.

Grafeno: onde encontrar?

Um dos problemas o grafeno é que o grafeno de alta qualidade é um ótimo condutor que não possui um intervalo de banda (ele não pode ser desligado). Portanto, para usar o grafeno na criação de futuros dispositivos nanoeletrônicos, um vazio será necessário, o que, por sua vez, reduzirá sua mobilidade de elétrons para níveis atualmente vistos em filmes de silício. Isso significa essencialmente que a pesquisa e o desenvolvimento futuros precisam ser realizados para que o grafeno substitua o silício nos sistemas elétricos no futuro. No entanto, recentemente algumas equipes de pesquisa mostraram que isso é possível, é provável, e estamos olhando meses, ao invés de anos, até que isso seja alcançado pelo menos em um nível básico. Alguns dizem que esses tipos de estudos devem ser evitados, já que é semelhante a mudar o grafeno para ser algo que não é.

Outro desafio para o grafeno é sua fabricação. Ainda não se descobriu uma forma de fabricação em massa barata para o grafeno. Seus custos são muito altos para uma aplicação prática em grande escala. Porém, com o tempo e novas tecnologias, o grafeno poderá ser encontrado com baixos custos e nos mais diversos produtos. Ainda não é possível conseguir o grafeno comercialmente, mas você pode tentar receitas “caseiras” para produzir grafeno. Só não espere resultados muito satisfatórios.

Grafeno

O grafeno é um material revolucionário mas que está ainda longe de atingir todo seu potencial. (Foto: Digital Trends)

Grafeno e aplicações na engenharia biológica

A bioengenharia certamente será um campo no qual o grafeno se tornará uma parte vital no futuro, Embora alguns obstáculos precisem ser superados antes que possam ser usados. As estimativas atuais sugerem que não será até 2030 quando começaremos a ver o grafeno amplamente utilizado em aplicações biológicas, pois ainda precisamos entender sua biocompatibilidade (e ele deve passar por numerosos ensaios clínicos e de segurança que, simplesmente, levarão há muito tempo). No entanto, as propriedades exibidas indicam que isso pode revolucionar essa área de várias maneiras. Com grafeno oferecendo uma grande área de superfície, alta condutividade elétrica, finura e força, seria um bom candidato para o desenvolvimento de dispositivos sensoriais bioelétricos rápidos e eficientes, com a capacidade de monitorar fatores como níveis de glicose, hemoglobina, colesterol e até mesmo Sequenciamento de DNA. Eventualmente, podemos até ver o grafeno “tóxico”, que pode ser usado como antibiótico ou até mesmo como tratamento antineoplásico. Além disso, devido à sua composição molecular e biocompatibilidade potencial, ele poderia ser utilizado no processo de regeneração tecidual.

Grafeno e aplicações na eletrônica ótica

Uma área particular em que em breve começaremos a ver o grafeno usado em escala comercial é a da optoeletrônica, mais especificamente telas sensíveis ao toque, telas de cristal líquido (LCD) e diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs). Para que um material possa ser usado em aplicações optoeletrônicas, ele deve ser capaz de transmitir mais de 90% da luz e também oferecer propriedades condutoras elétricas específicas com baixa resistência elétrica. O grafeno é um material quase completamente transparente e é capaz de transmitir opticamente até 97,7% da luz. Também é altamente condutor, como mencionamos anteriormente, e funcionaria muito bem em aplicações optoeletrônicas, como telas de toque LCD para smartphones, tablets, computadores de mesa e televisores.

Atualmente, o material mais utilizado é o óxido de estanho índio, e o desenvolvimento da fabricação desse material ao longo das últimas décadas resultou em um material que é capaz de ter um desempenho muito bom nesta aplicação. No entanto, testes recentes mostraram que o grafeno é potencialmente capaz de combinar as propriedades do óxido mesmo em estados atuais (relativamente subdesenvolvidos). Além disso, foi recentemente demonstrado que a absorção óptica do grafeno pode ser alterada ajustando o nível de Fermi. Embora isso não pareça uma grande melhoria em relação ao ócido, o grafeno exibe propriedades adicionais que podem permitir que a tecnologia muito inteligente seja desenvolvida na optoeletrônica, substituindo o ITO pelo grafeno. O fato de que o grafeno de alta qualidade tem uma resistência à tração muito alta e é flexível (com um raio de curvatura menor do que o requerido 5-10mm para papel eletrônico flexível), torna quase inevitável que ele seja utilizado em breve nessas aplicações. .

Em termos de possíveis aplicações eletrônicas do mundo real, podemos esperar ver dispositivos como papel eletrônico baseado em grafeno com a capacidade de exibir informações atualizadas e interativas e dispositivos eletrônicos flexíveis, incluindo computadores portáteis e televisores.

Grafeno e aplicações na ultrafiltração

Outra propriedade de destaque do grafeno é que enquanto ele permite que a água passe por ele, é quase completamente impermeável a líquidos e gases (mesmo moléculas de hélio relativamente pequenas). Isso significa que o grafeno pode ser usado como um meio de ultrafiltração para atuar como uma barreira entre duas substâncias. O benefício do uso do grafeno é que ele tem apenas um átomo de espessura e também pode ser desenvolvido como uma barreira que mede eletronicamente a tensão e as pressões entre as duas substâncias (entre muitas outras variáveis). Pesquisadores já conseguiram criar filtros de grafeno em camada única com tamanhos de poros tão pequenos quanto 5 nm (atualmente, membranas nanoporosas avançadas tem poros de 30 a 40 nm). Embora esses tamanhos de poros sejam extremamente pequenos, como o grafeno é tão fino, a pressão durante a ultrafiltração é reduzida. Atualmente, o grafeno é muito mais forte e menos frágil que o óxido de alumínio (atualmente usado em aplicações de filtração abaixo de 100 nm). O que isto significa? Bem, isso poderia significar que o grafeno é desenvolvido para ser usado em sistemas de filtragem de água, sistemas de dessalinização e criação de biocombustível eficiente e economicamente mais viável.

Grafeno e aplicações em materiais compósitos

O grafeno é forte, rígido e muito leve. Atualmente, os engenheiros aeroespaciais estão incorporando fibra de carbono na produção de aeronaves, uma vez que também é muito forte e leve. No entanto, o grafeno é muito mais forte, sendo também muito mais leve. Em última análise, espera-se que o grafeno seja utilizado (provavelmente integrado em plásticos como o epóxi) para criar um material que possa substituir o aço na estrutura das aeronaves, melhorando a eficiência do combustível e reduzindo o peso. Devido à sua condutividade elétrica, ele pode até mesmo ser usado para revestir o material da superfície da aeronave para evitar danos elétricos resultantes de quedas de raios. Neste exemplo, o mesmo revestimento de grafeno também poderia ser usado para medir a taxa de deformação, notificando o piloto de quaisquer mudanças nos níveis de estresse que as asas da aeronave estão abaixo. Essas características também podem ajudar no desenvolvimento de aplicações de alta resistência, como coletes para militares e veículos.

Grafeno e aplicações mas células fotovoltaicas

Oferecendo níveis muito baixos de absorção de luz (em torno de 2,7% da luz branca), ao mesmo tempo em que oferece alta mobilidade eletrônica, o grafeno pode ser usado como uma alternativa ao silício ou ao óxido de estanho índio na fabricação de células fotovoltaicas. O silício é atualmente amplamente utilizado na produção de células fotovoltaicas, mas enquanto as células de silício são muito caras para produzir, as células baseadas em grafeno são potencialmente muito menos. Quando materiais como o silício transformam luz em eletricidade, produzem um fóton para cada elétron produzido, o que significa que muita energia potencial é perdida como calor. Pesquisas recentemente publicadas provaram que quando o grafeno absorve um fóton, na verdade gera múltiplos elétrons. Além disso, enquanto o silício é capaz de gerar eletricidade a partir de certas faixas de luz de comprimento de onda, o grafeno é capaz de trabalhar em todos os comprimentos de onda, significando que o grafeno tem o potencial de ser tão eficiente quanto o silício, óxido de estanho índio ou arsenieto de gálio. Ser flexível e fino significa que células fotovoltaicas baseadas em grafeno podem ser usadas em roupas para ajudar a recarregar o seu telefone celular, ou até mesmo usado como telas fotovoltaicas retro-ajustadas ou cortinas para ajudar a alimentar sua casa.

Grafeno e aplicações de armazenamento de energia

Uma área de pesquisa que está sendo muito estudada é o armazenamento de energia. Embora todas as áreas da eletrônica tenham avançado muito rapidamente nas últimas décadas (em referência à lei de Moore, que afirma que o número de transistores usados ​​em circuitos eletrônicos dobrará a cada 2 anos), o problema sempre foi armazenar a energia em baterias e capacitores quando não estiverem sendo usados. Essas soluções de armazenamento de energia vem se desenvolvendo a um ritmo muito mais lento. O problema é este: uma bateria pode potencialmente ter muita energia, mas pode levar muito tempo para carregar. Um capacitor, por outro lado, pode ser carregado muito rapidamente, mas não pode conter tanta energia (comparativamente falando). A solução é desenvolver componentes de armazenamento de energia, como um supercapacitor ou uma bateria que seja capaz de fornecer essas duas características positivas sem compromisso.

Atualmente, os cientistas estão trabalhando no aprimoramento das capacidades das baterias de íons de lítio (incorporando o grafeno como ânodo) para oferecer capacidades de armazenamento muito mais altas, com longevidade e taxa de carga muito melhores. Além disso, o grafeno está sendo estudado e desenvolvido para ser usado na fabricação de supercapacitores que podem ser carregados muito rapidamente, mas também podem armazenar uma grande quantidade de eletricidade. Micro-supercapacitores baseados em grafeno provavelmente serão desenvolvidos para uso em aplicações de baixo consumo de energia, como telefones inteligentes e dispositivos de computação portáteis, e poderiam estar comercialmente disponíveis nos próximos 5 a 10 anos. As baterias de íons de lítio melhoradas com grafeno podem ser usadas em aplicações de maior consumo de energia, como veículos movidos a eletricidade, ou podem ser usadas como baterias de iões de lítio, em smartphones, portáteis e tablet PCs, mas com níveis e peso significativamente inferiores.

O que mais vocês conhecem sobre o grafeno? Quais curiosidades ouviram falar sobre esse material incrível?

Sobre o autor

Autor André M. Coelho

Engenheiro eletricista, André sempre foi interessado em novas tecnologias. Na primeira década dos anos 2000, atuou como consultor tecnológico em empresas, ajudando as empresas a escolherem as melhores tecnologias para suas necessidades. Desde então, continuou estudando o assunto e hoje compartilha o que aprendeu e continua aprendendo através do site Tecnologia É.

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