O que é grafeno? Aqui está o que você deve saber

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Hoje, um novo material tem o potencial de alterar o futuro. Apelidado de “supermaterial”, o grafeno faz com que pesquisadores de todo o mundo se esforcem para entendê-lo melhor. A longa lista de características milagrosas do grafeno faz com que pareça quase mágico, mas pode ter implicações muito reais e drásticas para o futuro da física e da engenharia.

O que exatamente é o grafeno?

A maneira mais simples de descrever o grafeno é que ele é uma camada única e fina de grafite – o material macio e escamoso usado na grafite do lápis. A grafite é um alótropo do elemento carbono, o que significa que possui os mesmos átomos, mas estão dispostos de forma diferente, conferindo ao material propriedades diferentes. Por exemplo, tanto o diamante como a grafite são formas de carbono, mas têm naturezas totalmente diferentes. Os diamantes são incrivelmente fortes, enquanto o grafite é frágil. Os átomos do grafeno estão dispostos em um arranjo hexagonal.

Curiosamente, quando o grafeno é isolado do grafite, ele adquire algumas propriedades milagrosas. Tem apenas um átomo de espessura, o primeiro material bidimensional já descoberto. Apesar disso, o grafeno também é um dos materiais mais fortes do universo conhecido. Com uma resistência à tração de 130 GPa (gigapascais), é mais de 100 vezes mais forte que o aço.

A incrível força do grafeno apesar de ser tão fino já é suficiente para torná-lo incrível, porém, suas propriedades únicas não param por aí. Também é flexível, transparente, altamente condutor e aparentemente impermeável à maioria dos gases e líquidos. Quase parece que não há área em que o grafeno não se destaque.

A história do grafeno: um rolo de fita adesiva e um sonho

A grafite é uma quantidade conhecida há muito tempo (os humanos a utilizam desde o Neolítico). A sua estrutura atómica está bem documentada e, durante muito tempo, os cientistas ponderaram se seria possível isolar camadas únicas de grafite. Até recentemente, no entanto, o grafeno era apenas uma teoria, pois os cientistas não tinham certeza se algum dia seria possível reduzir o grafite a uma única folha da espessura de um átomo. A primeira amostra isolada de grafeno foi descoberta em 2004 por Andre Geim e Konstantin Novoselov na Universidade de Manchester. Seria de se esperar que eles isolassem a lendária substância usando algum maquinário enorme e caro, mas a ferramenta que usaram era divertidamente simples: um rolo de fita adesiva.

Ao usar fita adesiva para polir um grande bloco de grafite, os pesquisadores notaram flocos excepcionalmente finos na fita. Continuando a descascar camada após camada dos flocos de grafite, eles finalmente produziram uma amostra tão fina quanto possível. Eles encontraram o grafeno. A descoberta foi tão bizarra que o mundo científico inicialmente ficou cético. O popular jornal Natureza até rejeitou seu artigo sobre o experimento duas vezes. Eventualmente, a sua investigação foi publicada e, em 2010, Geim e Novoselov receberam o Prémio Nobel da Física pela sua descoberta.

Aplicações potenciais

Se o grafeno tivesse apenas uma de suas muitas características superlativas, seria objeto de intensa pesquisa sobre usos potenciais. Sendo tão notável em muitos aspectos, o grafeno inspirou os cientistas a pensar numa ampla gama de utilizações para o material, em campos tão variados como a tecnologia de consumo e a ciência ambiental.

Eletrônica flexível

Além de suas poderosas propriedades elétricas, o grafeno também é altamente flexível e transparente. Isso o torna atraente para uso em eletrônicos portáteis. Smartphones e tablets poderiam se tornar muito mais duráveis ​​com o uso do grafeno, e talvez até pudessem ser dobrados como papel. Os dispositivos eletrônicos vestíveis têm crescido em popularidade recentemente. Com o grafeno, esses dispositivos poderiam se tornar ainda mais úteis, projetados para se ajustarem perfeitamente aos membros e se dobrarem para acomodar diversas formas de exercício.

No entanto, a flexibilidade e a largura microscópica do grafeno oferecem oportunidades que vão além de meros dispositivos de consumo. Também poderia ser útil em pesquisas biomédicas. Pequenas máquinas e sensores poderiam ser feitos com grafeno, capazes de se mover de forma fácil e inofensiva pelo corpo humano, analisando tecidos ou até mesmo entregando medicamentos em áreas específicas. O carbono já é um ingrediente crucial no corpo humano; um pouco de grafeno adicionado pode não fazer mal.

Células solares/fotovoltaicas

O grafeno é altamente condutivo e transparente. Como tal, tem grande potencial como material em células solares. Normalmente, as células solares usam silício, que produz uma carga quando um fóton atinge os materiais, liberando um elétron livre. O silício libera apenas um elétron por fóton que o atinge. A pesquisa indicou que o grafeno pode liberar vários elétrons para cada fóton que o atinge. Como tal, o grafeno poderia ser muito melhor na conversão de energia solar. Em pouco tempo, células de grafeno mais baratas e mais poderosas poderiam produzir um grande aumento na energia renovável.

As propriedades fotovoltaicas do grafeno também significam que ele poderia ser usado para desenvolver melhores sensores de imagem para dispositivos como câmeras.

Semicondutores

Devido à sua alta condutividade, o grafeno poderia ser usado em semicondutores para aumentar significativamente a velocidade com que a informação viaja. Recentemente, o Departamento de Energia realizou testes que demonstraram que polímeros semicondutores conduzem eletricidade muito mais rápido quando colocados sobre uma camada de grafeno do que sobre uma camada de silício. Isto é válido mesmo se o polímero for mais espesso. Um polímero de 50 nanômetros de espessura, quando colocado no topo de uma camada de grafeno, conduziu uma carga melhor do que uma camada de 10 nanômetros do polímero. Isso vai contra a sabedoria anterior, que afirmava que quanto mais fino for um polímero, melhor ele poderá conduzir carga.

O maior obstáculo ao uso do grafeno na eletrônica é a falta de band gap, a lacuna entre as bandas de valência e de condução em um material que, quando cruzada, permite o fluxo de corrente elétrica. O band gap é o que permite que materiais semicondutores como o silício funcionem como transistores; eles podem alternar entre isolar ou conduzir uma corrente elétrica, dependendo se seus elétrons são empurrados através do intervalo de bandas ou não.

Os pesquisadores têm testado uma variedade de métodos para dar ao grafeno um band gap; se for bem-sucedido, isso poderá levar a uma eletrônica muito mais rápida construída com grafeno.

Filtração de água

As estreitas ligações atômicas do grafeno o tornam impermeável a quase todos os gases e líquidos. Curiosamente, as moléculas de água são uma exceção. Como a água pode evaporar através do grafeno, enquanto a maioria dos outros gases e líquidos não consegue, o grafeno pode ser uma ferramenta excepcional para filtração. Pesquisadores da Universidade de Manchester testaram a permeabilidade do grafeno ao álcool e conseguiram destilar amostras muito fortes de bebidas espirituosas, pois apenas a água das amostras conseguiu passar pelo grafeno.

É claro que o uso do grafeno como filtro tem potencial além da destilação de bebidas espirituosas mais fortes. O grafeno também pode ser imensamente útil na purificação de toxinas da água. Num estudo publicado pela Royal Society of Chemistry, os investigadores mostraram que o grafeno oxidado poderia até puxar materiais radioativos como urânio e plutônio presentes na água, deixando o líquido livre de contaminantes. As implicações deste estudo são enormes. Alguns dos maiores riscos ambientais da história, incluindo resíduos nucleares e escoamento químico, poderiam ser eliminados das fontes de água graças ao grafeno.

À medida que a sobrepopulação continua a ser uma das preocupações ambientais mais prementes do mundo, a manutenção do abastecimento de água potável tornar-se-á cada vez mais importante. Na verdade, a escassez de água afecta mais de mil milhões de pessoas em todo o mundo, um número que só continuará a aumentar dadas as tendências actuais. Os filtros de grafeno têm imenso potencial para melhorar a purificação da água, aumentando a quantidade de água doce disponível. Na verdade, a Lockheed Martin desenvolveu recentemente um filtro de grafeno chamado “Perforene”, que a empresa afirma poder revolucionar o processo de dessalinização.

As atuais usinas de dessalinização usam um método chamado osmose reversa para filtrar o sal da água do mar. A osmose reversa usa pressão para mover a água através de uma membrana. Para produzir grandes quantidades de água potável, a pressão envolvida requer enormes quantidades de energia. A Engenheiro da Lockheed Martin afirma seus filtros Perforene poderiam reduzir as necessidades de energia cem vezes menos do que outros filtros.

MIT criou grafeno com “nanoporos”

A filtragem é um dos usos mais óbvios do grafeno, e os engenheiros do MIT fizeram grandes avanços no aperfeiçoamento da capacidade do grafeno de separar moléculas. Em 2018, uma equipe do MIT desenvolveu um método para criar pequenos furos “alfinetados” em folhas de grafeno. Os pesquisadores do MIT usam uma abordagem “rolo a rolo” para produzir grafeno. Sua configuração envolve dois carretéis: um carretel alimenta uma folha de cobre em um forno onde é aquecida até a temperatura máxima. temperatura apropriada, então os engenheiros adicionam gás metano e hidrogênio, o que essencialmente causa piscinas de grafeno formar. O filme de grafeno sai do forno, enrolando-se no segundo carretel.

Em teoria, este processo permite a formação de grandes folhas de grafeno num período de tempo relativamente curto, o que é crucial para aplicações comerciais. Os pesquisadores tiveram que ajustar o processo para que o grafeno se formasse perfeitamente e, curiosamente, as tentativas imperfeitas ao longo do caminho provaram ser úteis mais tarde. Enquanto a equipe do MIT tentava criar poros no grafeno, eles começaram usando plasma de oxigênio para esculpi-los. Como esse processo se mostrou demorado, eles queriam algo mais rápido e buscaram soluções em seus experimentos anteriores. Ao baixar a temperatura durante o crescimento do grafeno, eles fizeram aparecer poros. O que apareceram como defeitos durante o processo de desenvolvimento acabaram sendo uma forma útil de criar grafeno poroso.

Supercondutividade

Não muito depois cientistas de Cambridge demonstraram que o grafeno pode atuar como um supercondutor (um material sem resistência elétrica) quando combinado com óxido de cobre e praseodímio, cério, pesquisadores do MIT descoberto outra propriedade surpreendente: aparentemente pode funcionar sozinho como um supercondutor, na configuração correta. Os pesquisadores empilharam duas fatias de grafeno, mas as compensaram em um ângulo de 1,1 graus. De acordo com um relatório publicado na Nature, “o físico Pablo Jarillo-Herrero, do Massachusetts Institute of Technology (MIT) em Cambridge e sua equipe não estavam procurando supercondutividade quando montaram seu experimentar. Em vez disso, eles estavam explorando como a orientação apelidada de ângulo mágico poderia afetar o grafeno.”

O que eles descobriram é que, quando passaram eletricidade através da pilha de grafeno desequilibrada, ela funcionou como um supercondutor. Este processo simples de aplicação de eletricidade torna o grafeno mais fácil de estudar do que uma classe semelhante de supercondutores, cupratos, embora esses materiais exibam supercondutividade em níveis muito mais altos temperaturas. A maioria dos materiais que exibem supercondutividade só o fazem perto de uma temperatura de zero absoluto. Alguns dos chamados “supercondutores de alta temperatura” podem apresentar supercondutividade em temperaturas em torno de 133 Kelvin (-140 Celsius), o que é relativamente alto; o sulfeto de hidrogênio, sob pressão suficiente, exibe a propriedade em milagrosos -70 graus Celsius!

O arranjo do grafeno teve que ser resfriado a 1,7 graus acima do zero absoluto, porém, os pesquisadores consideram seu comportamento semelhante ao dos cupratos, e então eles esperam que seja um material muito mais fácil para estudar a supercondutividade não convencional, que ainda é uma área de grande desacordo entre físicos. Como a supercondutividade normalmente só acontece em temperaturas tão baixas, os supercondutores só são usados ​​em máquinas caras, como máquinas de ressonância magnética, mas os cientistas esperam um dia encontrar um supercondutor que funcione à temperatura ambiente, o que reduziria os custos ao eliminar a necessidade de resfriamento unidades.

Em um estudo publicado em 2019, os pesquisadores mostraram como a torção de camadas de grafeno em ângulos “mágicos” específicos pode produzir propriedades supercondutoras em temperaturas mais baixas do que antes.

Defesa contra mosquitos

Poucas criaturas são tão repugnantes quanto o mosquito, devido às suas picadas que coçam e à tendência de espalhar doenças horríveis como a malária. Felizmente, pesquisadores da Brown University encontraram uma possível solução usando o grafeno. A pesquisa, publicado em 2019, demonstra que uma película de grafeno na pele não apenas impediu a picada dos mosquitos, mas até os impediu de pousar na pele. Uma possível explicação é que o grafeno impediu que os mosquitos sentissem o cheiro das presas.

O futuro da pesquisa com grafeno

Dada a lista aparentemente interminável de pontos fortes do grafeno, seria de esperar vê-lo em todo o lado. Por que, então, o grafeno não foi amplamente adotado? Como acontece com a maioria das coisas, tudo se resume a dinheiro. O grafeno ainda é extremamente caro para ser produzido em grandes quantidades, limitando seu uso em qualquer produto que exija produção em massa. Além disso, quando grandes folhas de grafeno são produzidas, há um risco maior de pequenas fissuras e outras falhas aparecerem no material. Não importa quão incrível possa ser uma descoberta científica, a economia sempre decidirá o sucesso.

Deixando de lado as questões de produção, a pesquisa do grafeno não está de forma alguma desacelerando. Laboratórios de investigação em todo o mundo – incluindo a Universidade de Manchester, onde o grafeno foi descoberto pela primeira vez – estão continuamente a registar patentes para novos métodos de criação e utilização de grafeno. A União Europeia aprovou o financiamento para um programa emblemático em 2013, que financiará a investigação do grafeno para utilização em electrónica. Entretanto, as principais empresas tecnológicas da Ásia estão a realizar pesquisas sobre o grafeno, incluindo a Samsung.

As revoluções não acontecem da noite para o dia. O silício foi descoberto em meados do século XIX, mas demorou quase um século até que os semicondutores de silício abrissem caminho para o surgimento dos computadores. Poderá o grafeno, com as suas qualidades quase míticas, ser o recurso que impulsiona a próxima era da história humana? Só o tempo irá dizer.

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