COMPREENDENDO O GRAFENO

O que é grafeno?

O grafeno é um material composto de átomos de carbono com estrutura bidimensional. Ele é, simplesmente, o material mais forte (200x mais forte que o aço), mais leve e mais fino conhecido na atualidade. É flexível, transparente e possui excelentes propriedades elétricas, térmicas e óticas. O grafeno possui a espessura de um átomo (poucos nanômetros), para se ter uma ideia, 3 milhões de camadas de grafeno empilhadas têm altura de apenas 1 milímetro. Com apenas 1g do material, é possível cobrir a área de um campo de futebol. Com tantas qualidades, não é à toa que o grafeno é supervalorizado no mundo da tecnologia.

Para explicar de uma forma mais simples e didática, o grafite é como se fosse um livro e o grafeno seria uma página deste livro. 

 

Do que é feito o grafeno?

O grafeno é produzido a partir do grafite, um mineral macio e que também pode ser chamado de grafita ou carbono. O grafite tem em sua principal composição o elemento carbono, que é um elemento não-metálico tetravalente, pertence a família 4A na tabela periódica, exibe o número atômico 6, massa atômica 12 e seu símbolo é a letra C. Os tipos de grafite natural são o cristalino e o amorfo. O grafeno é obtido a partir do grafite natural cristalino do tipo lamelar (também conhecido como flake), que ocorre, usualmente, em leitos ou pacotes nas rochas metamórficas. Trata-se do tipo mais explorado no mundo.

 

Quais são os materiais obtidos a partir do grafite?

Durante os processos de síntese, o grafite passa por várias modificações até se tornar grafeno, esses processos podem produzir diferentes tipos de compostos.

Grafite expandido: consiste em submeter o grafite cristalino à altas temperaturas, causando uma rápida volatização dos compostos presos entre as camadas de carbono. Esta expansão da estrutura cristalina pode elevar o tamanho da partícula de grafite em até 150 vezes o seu tamanho original. Este procedimento é usado em alguns processos de obtenção do grafeno como pré-tratamento para facilitar a etapa seguinte de separação das camadas. 

Óxido de grafite: é obtido nos processos iniciais da síntese do grafeno, sendo realizado por meio de oxidantes fortes, processos de esfoliação eletroquímica ou outros processos. É um composto de carbono, oxigênio e hidrogênio em proporções variáveis e um espaçamento maior entre as camadas de carbono.

Óxido de grafeno: é quimicamente semelhante ao óxido de grafite, porém diferente em relação a estrutura. É obtido após o óxido de grafite passar por um processo de sonicação usando solventes polares, que dispersam as camadas resultando em um material de poucas camadas. Ele possui grupos funcionais oxigenados, como carbonilas, hidroxilas e epóxi. Diferente do grafeno, o GO é um material isolante elétrico devido à descontinuidade da estrutura p. O óxido de grafeno é conhecido pela sigla GO, que significa graphene oxide, comercialmente ele pode ser encontrado como um pó de coloração marrom ou preta, isso depende do processo pelo qual foi obtido. O GO de coloração marrom é, comumente, produzido por processos de oxidação química (e.g. método Hummers), já os métodos que não fazem uso de oxidantes fortes normalmente produzem um GO com a mesma coloração do grafeno.

Óxido de grafeno reduzido: também conhecido pela sigla rGO – reduced graphene oxide é o produto gerado após a última etapa da esfoliação do grafite. Para obtê-lo basta submeter o GO a um processo de redução. Atualmente existem vários processos de redução, sendo os mais comuns a redução química e a redução térmica. Este processo tem o objetivo de chegar o mais próximo possível da estrutura do grafeno, reduzindo os grupos funcionais oxigenados do GO, e promovendo a reconstituição da estrutura grafítica originando um material de elevada condutividade. Os rGO são muito semelhantes ao grafeno em termos de propriedades elétricas, térmicas e mecânicas, além da morfologia superficial. Os rGO costumam ter mais de 80% de carbono e outros compostos como O, H, N e S. Apresentam menos de 10 camadas a alguns defeitos estruturais. Esses defeitos podem ser um problema para algumas aplicações, mas uma vantagem para outras.

Nanoplaquetas de grafeno: também conhecido pela sigla GNP – graphene nanoplatelets/graphene nanopowder são semelhantes ao rGO, apresentam pequenas pilhas de grafeno, podendo conter partículas agregadas, ou seja, folhas de tamanho micrométricos cobertas por nanoplaquetas. Devido ao seu formato são mais fáceis de serem quimicamente modificadas, sendo indicadas para uso em polímeros.

Grafeno: também comercializado pelos nomes de Single layer graphene, Monolayer graphene, High purity graphene, apresenta pureza > 98%, baixa quantidade de defeitos e elevada condutividade elétrica e térmica.

Grafeno pristine: ou “grafeno cristalino” é a forma mais pura do grafeno, é livre de defeitos e apresenta pureza ≥ 99,9%.

Filme de grafeno: consiste em uma folha translúcida de grafeno, comumente produzido pelo método CVD – Chemical Vapor Deposition, onde o carbono é depositado sobre um substrato, podendo ser cobre ou outro material, através da pirólise dos precursores (hidrocarbonetos).

 

Quais são as aplicações do grafeno?

As aplicações do grafeno são infinitas, porém, aqui destacamos algumas delas:

• Eletrônica: Chips, microprocessadores e transistores menores que os atuais e com maior capacidade. Displays flexíveis como as telas de tablets, smartphones e TV’s. O grafeno seria usado para a produção de uma tela sensível ao toque (touch screen), flexível, transparente e inquebrável. Revestimento para dissipar o calor dos componentes eletrônicos; baterias mais leves e duradouras, placas de circuito impresso;
• Acelerar a internet: Foi comprovado que o grafeno consegue realizar a conversão da informação ótica para a elétrica com uma velocidade cerca de 100 vezes mais rápida que os conversores elétricos. Ele também pode ser usado para desenvolver antenas de tecnologia 5G;
• Polímeros, elastômeros e borrachas: Melhoria das propriedades mecânicas e estruturais (mais fortes e mais leves), aumento da condutividade térmica e a estabilidade dimensional, aumento da condutividade elétrica, redução da massa plástica e aumento da resistência, maior resistência a impactos, resistência a riscos e repelente de manchas, escudo eletromagnético (impede a passagem de ondas eletromagnéticas), retardador de chama, resistência à eletricidade estática, proteção UV.
• Na produção de sensores: Detecção de contaminantes para uso em análises de água e efluentes, análises clínicas e diagnósticos de doenças;
• Em dispositivos fotônicos e optoeletrônico: A mais recente fronteira da fotônica é a produção de dispositivos na escala nanométrica capazes de transmitir informação por meio de sinais de luz, chamados nanofotônicos ou optoeletrônicos. Quando comparados aos já estabelecidos componentes eletrônicos, os novos nanodispositivos serão capazes de transportar um volume maior de informações e de forma mais rápida.
• Indústria aeroespacial e naval: Componentes mais leves, flexíveis, resistentes a corrosão e à fadiga. Aditivo de combustível que aumenta a eficiência com menor consumo e menos poluição;
• Automotiva: Revestimento anticorrosão, forma uma camada protetora extremamente forte e resistente que a isola da corrosão e da ferrugem e fornece um efeito anti-riscos. Janelas anti-embaciamento, protegidas por raios UV e inquebráveis. Pneus mais resistentes que não esquentam e que aderem melhor ao asfalto. Aditivo para melhorar os lubrificantes, reduzir o atrito, fornecer melhor resistência e produzir um efeito de resfriamento da peça exposta ao atrito;
• Na área biomédica: Por exemplo, na ortopedia para fazer próteses flexíveis e leves, uso em biossensores, eletrodos, curativo, máscara antiviral, agentes de contraste, terapia do câncer e implantes;
• Na geração de energia: Como em painéis solares, em células de hidrogênio e em baterias de grande duração;
• Em câmeras fotográficas mais sensíveis: Os sensores fotográficos de grafeno são mil vezes mais sensíveis à luz e dispensam o uso de flash;
• Industria têxtil: Tecidos resistentes, impermeáveis, com proteção UV, capazes de controlar a temperatura, maior leveza e elasticidade, roupas a prova de fogo e com resistência balística. Tecidos autolimpantes, que produzem eletricidade e que mudam de cor;

Tintas, revestimentos, aditivos, lubrificantes, graxas: Melhorar a resistência a corrosão, abrasão, oxidação, desgaste, atrito. Proteção contra altas temperaturas e aditivos para cimento e concreto. Tintas solares, capazes de absorver a energia solar, tintas selantes que impedem a passagem de ondas eletromagnéticas, revestimentos resistentes à água e a elementos oleosos.

• Militar e segurança: Tecidos inteligentes, a prova de balas e compósitos para blindagens de carros civis e militares;
• Aplicações ambientais: dessalinização da água do mar, tratamento de efluentes, absorção de óleo com potencial de uso em vazamentos de petróleo no mar, permeação de gases tóxicos através de membranas;
• Artigos esportivos e de lazer: Raquetes de tênis e badminton mais resistentes e leves, capacetes de bicicleta mais rígidos que permitem melhor a passagem de ar e quadros de bicicleta muito mais fortes e leves. Ceras de esqui que melhoram a lubrificação, o efeito hidrofóbico e o efeito antiestático. Tecidos inteligentes que detectam os batimentos cardíacos e dissipam o calor do corpo, calçados antiestáticos e muito mais flexíveis, pisos esportivos inteligentes, aparelhos e acessórios de ginástica muito mais fortes e leves, equipamentos de alpinismo mais fortes.