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Representação gráfica do grafeno, um retículo hexagonal feito inteiramente de átomos de carbono.

O grafeno é uma das formas cristalinas do carbono [1],[2] assim como o diamante,[1] o grafite,[1] os nanotubos de carbono e fulerenos. Esse material, pode ser considerado tão ou mais revolucionário que o plástico e o silício.[2] Quando de alta qualidade, costuma ser muito forte, leve, quase transparente, um excelente condutor de calor e eletricidade. É o material mais forte já encontrado, consistindo em uma folha plana de átomos de carbono densamente compactados em uma grade de duas dimensões.[3] É um ingrediente para materiais de grafite de outras dimensões, como fulerenos 0D, nanotubos 1D ou grafite 3D.[3]

Basicamente, o grafeno é um material constituído por uma camada extremamente fina de grafite, com a diferença de que possui uma estrutura hexagonal cujos átomos individuais estão distribuídos, gerando uma fina camada de carbono. Na prática, o grafeno é o material mais forte, mais leve e mais fino (espessura de um átomo) [4] que existe. Para se ter ideia, 3 milhões de camadas de grafeno empilhadas têm altura de apenas 1 milímetro.[2] Teoricamente seria superado, em resistência e dureza, pelo carbono acetilênico linear (carbino).[5]

O termo grafeno foi proposto como uma combinação de grafite e o sufixo -eno por Hanns-Peter Boehm.[6][7] Foi ele quem descreveu as folhas de carbono em 1962.[8]

Na época em que foi isolado, muitos pesquisadores que estudavam nanotubos de carbono já estavam bem familiarizados com a composição, a estrutura e as propriedades do grafeno, que haviam sido calculadas décadas antes. A combinação de familiaridade, propriedades extraordinárias e surpreendente facilidade de isolamento permitiu uma explosão nas pesquisas sobre o grafeno. O Prêmio Nobel de Física de 2010 foi atribuído a Andre Geim e Konstantin Novoselov da Universidade de Manchester por experiências inovadoras em relação ao grafeno.[9]

Índice

DescriçõesEditar

O grafeno é uma folha plana de átomos de carbono em ligação sp2 densamente compactados e com espessura de apenas um átomo, reunidos em uma estrutura cristalina hexagonal. O nome vem de grafite + -eno; o grafite em si consiste de múltiplas folhas arranjadas uma sobre a outra. O nome grafeno foi apresentado pela primeira vez em 1987 por S. Mouras e colaboradores enquanto estudavam as camadas de grafite intercaladas por compostos.[10]

O grafeno foi oficialmente definido na literatura química em 1994[11] pela IUPAC como:

Uma única camada da estrutura grafítica pode ser considerada como o último membro da série de naftalenos, antracenos, coronenos, etc., e o termo "grafeno" deve, portanto, ser utilizado para designar a camada individual de carbono em compostos de intercalação de grafite. O uso do termo "camada de grafeno" é também considerada para a terminologia geral dos carbonos.

Construção do grafenoEditar

Grafeno é feito de HOPG (Grafite Pirolitico Altamente Orientado) e possui estrutura hexagonal do tipo honeycomb. O carbono pirolítico é um material semelhante ao grafite, mas com alguma ligação covalente entre suas folhas de grafeno como resultado de imperfeições em sua estrutura.

Geralmente é produzido aquecendo um hidrocarboneto quase até à sua temperatura de decomposição, e permitindo que o grafite cristalize (pirólise). Um método é aquecer as fibras sintéticas no vácuo. Outro método é colocar as sementes em um prato com gás muito quente para coletar o revestimento de grafite. É usado em aplicações de alta temperatura como cones de míssil, motores de foguete, protetores térmicos, fornos de laboratório, reforçados com grafite. plástico e em próteses biomédicas. As melhores amostras de HOPG têm mosaicos de amplitude inferiores a 1 grau. O método usado para produzir o HOPG é baseado no processo usado para fazer grafite pirolítica, mas com tensão de tração adicional na direção do plano basal. Isso produz um melhor alinhamento dos cristalitos de grafite e um espaçamento interplanar próximo ao observado na grafita natural. A "recristalização do estresse" do grafite foi descrita pela primeira vez por L. C. F. Blackman e Alfred Ubbelohde em 1962.

[12]

PropriedadesEditar

O grafeno é um material que possui propriedades únicas, devido a sua alta mobilidade eletrônica, por volta de 2*〖10^5 (cm^3)/Vs〗^ ele se torna um dos melhores materiais condutores que existem, senão o melhor. O grafeno também um dos melhores condutores térmicos e o material com o maior módulo de Young existente, por volta de 1TPa ou seja é um dos materiais mais resistentes e duros da atualidade, é um dos únicos materiais 2D existentes, devido a sua espessura atômica. As propriedades óticas do grafeno também são excelentes, onde o material é capaz de absorver até 2.3% da luz, além de ter um índice de reflexão de apenas 0.1%. Devido as suas propriedades excepcionais o grafeno é um material multifuncional, podendo ter uma diversa gama de aplicações, desde eletrônica e ótica até aplicações biológicas.[13]

Métodos de extraçãoEditar

Esfoliação mecânica

Em 2004 o grafeno foi obtido por separação mecânica de folhas de grafeno a partir de pequenas placas de 1 milimetro de espessura de grafite grafite pirolítico altamente orientado. Primeiramente, foram preparadas plataformas de 5 µm de profundidade no topo das plaquetas de HOPG usando ataque químico seco em plasma de oxigênio. A superfície das plataformas foi então pressionada contra uma camada fotorresistiva de 1 µm de espessura sobre um substrato de vidro para colar as plataformas à camada fotorresistente. Em seguida, usando fita adesiva repetidamente foi feita uma descamação de flocos de grafite das plataformas. Alguns flocos foram capturados pela superfície de um disco de silício/óxido de silício. Esta abordagem mostrou ser altamente confiável e permitiu preparar filmes multicamadas de grafeno de até 10 µm.

O método de esfoliação mecânica é um método de baixo rendimento, delicado e demorado, o que o torna inviável comercialmente, apesar de ser um método simples que mantém elevada integridade estrutural e eletrônica do grafeno.

Colagem Anódica

É um outro método de esfoliação mecânica, que foi desenvolvido com a intenção de superar as limitações impostas pelo método original de esfoliação, no caso o tamanho da amostra e a produção em larga escala.Nesse método o Grafite pode ser colado em borosilicato ou qualquer substrato potencialmente isolante com condutividade iônica e, em seguida, fragmentada para deixar uma ou poucas camadas de grafeno sobre o substrato, identificadas opticamente e com espectroscopia

Nesse método o ânodo de grafite é disposto sobre a amostra e o cátodo em contato com a parte traseira do substrato de Pirex. O substrato de vidro com o grafite montado sobre ele é aquecido de modo que a temperatura da interface seja de aproximadamente 200°C. Quando a temperatura é estabilizada uma diferença de potencial é aplicada. Após a colagem o grafite é removido deixando várias áreas de ligação na superfície do vidro. Essas áreas são esfoliadas utilizando a fita adesiva resultando em áreas transparentes que correspondem a camadas de grafeno

Crescimento epitaxial sobre SiC

Nesse método a preparação da superfície é feita por oxidação ou ataque de 𝐻2. Em seguida, as amostras são aquecidas por bombardeamento de elétrons em vácuo ultraalto (UHV; pressão 1 × 10-10 Torr) até 1000°C. Depois, são aquecidas a temperaturas que variam de 1250 a 1450°C por 1- 20 minutos. Sob essas condições, algumas camadas finas de grafite são formadas, com uma espessura que determinada pela temperatura de reação.

A vantagem desse método é que o mesmo possibilita, uma produção em larga escala, com uma qualidade elevada, porém acaba por ser um método caro e de baixo rendimento.

Clivagem Ultrassônica

É um método desenvolvido que dispersa o grafite em soluções de surfactante em água com o auxilio de ultrassons. É basicamente um método de esfoliação em larga escala onde é possível obter grandes quantidades de grafeno multicamadas, e pequenas quantidades de grafeno monocamada.

Redução Térmica

A redução térmica se baseia no rápido aquecimento do óxido de grafeno sob um gás inerte por volta de 1000°C. Porém a decomposição pode provocar sérios defeitos estruturais na estrutura do grafeno, o que pode prejudicar as propriedades condutoras do material, porém é um método de baixo custo que pode ser aplicado em larga escala.[14]

Novas aplicaçõesEditar

Mais recentemente, empresas de semicondutores realizaram testes a fim de substituir o silício pelo grafeno devido à sua altíssima eficiência em comparação ao silício.

Em teoria, um processador, ou até mesmo um circuito integrado, poderia chegar a mais de 500 GHz. O silício, por sua vez, trabalha abaixo de 5 GHz. O uso de grafeno proporcionaria equipamentos cada vez mais compactos, rápidos e eficientes, mas o grafeno é tão bom condutor que ainda não se sabe como fazer com que pare de conduzir, formando assim o sistema binário.

Animação sobre grafeno, sua estrutura de bandas em cones de Dirac [15] e sua dopagem eletrônica através de uma grade.

Um grupo de cientistas chineses, liderados por Qunweu Tang, Xiaopeng Wang, Peishi Yang e Benlin He, desenvolveu uma placa fotovoltaica que é capaz de produzir energia a partir dos raios solares e também pelas gotas de chuva, sendo eficiente independente das condições climáticas, graças ao grafeno.[16]

Os trabalhos revolucionários sobre o grafeno valeram o Nobel da Física de 2010 ao cientista russo-britânico Konstantin Novoselov e ao cientista neerlandês nascido na Rússia Andre Geim,[17] ambos da Universidade de Manchester.

Uma das aplicações mais recentes do grafeno foi a criação em laboratório de supercapacitores, que podem ser utilizados em baterias e carregam mil vezes mais rápido que as baterias de hoje em dia.[18]

O óxido de grafeno também pode extrair substâncias radioativas das soluções de água. A descoberta do fenômeno deve possibilitar a purificação da água (incluindo as águas subterrâneas) contaminada por radiação, tal como ocorreu na área afetada pelo acidente nuclear de Fukushima.[19]

No ano de 2015, uma equipe de investigadores da Universidade de Aveiro[20] desenvolveu sacos de chá, com óxido de grafeno, capazes de remover, com eficácia, metais pesados de águas. Para cada dez miligramas de óxido utilizado foi possível remover, ao fim de 24 horas, 95% de mercúrio numa amostra de um litro de água. A remoção dos metais é explicada pelo fenómeno de adsorção.

O grafeno também pode ser usado para melhorar as características estruturais de objetos. Um exemplo disso seriam raquetes de tênis. Em seu site, a fabricante de raquetes de tênis HEAD anuncia um modelo que conta com grafeno em sua composição. Segundo a empresa, o material permite a melhor distribuição do peso e dá mais velocidade ao saque de jogadores. Além disso, o grafeno pode ser utilizado, dentre outras aplicações, em:

● Desintoxicação de água - Um estudo de cientistas da Rice University identificou que o óxido de grafeno tem entre suas propriedades a capacidade de remover material radioativo de água contaminada.

● Filtragem de água - Outro trabalho, agora da universidade inglesa de Manchester, mostrou que o grafeno é impermeável a tudo, exceto uma coisa: água - o que pode ajudá-lo a filtrá-la.

● Embalagem de alimentos - Um papel anti-bactérias para embalar alimentos foi criado na Universidade de Xangai. Feito à base de grafeno, ele só é permeável à água e inibe o crescimento de micro-organismos.

● Fabricação de preservativos - Dois projetos de preservativo feitos a partir de grafeno estão sendo financiados pela Fundação Bill e Melinda Gates. A escolha do material se deve à sua impermeabilidade.

● Transmissão de rádio-frequências - Na universidade americana de Columbia, engenheiros usaram o grafeno para desenvolver o menor transmissor de frequência modulada (FM) de que se tem notícia.

● Captura de fotografias - Cientistas da Nanyang Technological University, em Singapura, usaram a sensibilidade à luz do grafeno para criar um sensor para câmeras 10 vezes melhor que os atuais.

● Reparo de aviões - Compósitos plásticos feitos a partir de grafeno podem ser úteis para reparar danos em carros e aviões - em função da resistência e leveza deste material.

● Recarga de baterias - Ricarhd Kaner, pesquisador da Universidade da Califórnia, desenvolveu a partir do grafeno baterias para smartphones e notebooks que são inteiramente recarregadas em cinco e 10 segundos, respectivamente.

● Captação de energia fotovoltaica - Na Universidade da Flórida, pesquisadores usaram o grafeno para confeccionar um painel que capta energia solar. Experiências do tipo também alcançaram sucesso em Oxford.

● Detecção de vazamentos de gás - A capacidade de armazenar amônia e outros gases torna o grafeno útil na detecção de vazamentos. A utilidade foi descoberta por pesquisadores de China e EUA em parceria.

● Extensão da vida útil de componentes eletrônicos - Estudo da Chalmers University of Technology, na Suécia, revelou que aplicar uma camada de grafeno esfria e, por isso, estende a vida útil de componentes eletrônicos.

● Transmissão de dados - Pesquisadores da universidade americana Georgia Tech estão desenvolvendo uma antena de grafeno capaz de transferir um terabyte de dados em apenas um segundo.

● Armazenamento de dados - As propriedades do grafeno permitiram a cientistas da Swinburne University of Technology desenvolver um disco capaz de armazenar três vezes mais dados que um Blu-ray.

● Aumento da performance de chips - A IBM está usando grafeno e silício combinados para desenvolver um novo tipo de chip mais potente, que deve chegar ao mercado em breve. [21]

ProduçãoEditar

O grafeno foi produzido pela primeira vez em 2004, em Manchester, Reino Unido. Atualmente, a empresa que lidera a produção de sensores e eletrônicos feitos de grafeno é a Graphene Frontiers, localizada na Pensilvânia - Estados Unidos. [22]

Em março de 2012, um grupo de pesquisadores das universidades do Cairo e da Califórnia descobriu um método de produção de grafeno, extremamente eficiente e barato. Aplicando a radiação laser de um gravador de DVD LightScribe sob um filme de óxido de grafite produziu uma camada finíssima de grafeno, de alta qualidade e muito resistente, excelente para funcionar como capacitor ou semicondutor.[23]

Produção no BrasilEditar

Um dos projetos pioneiros para a produção de grafeno no mercado brasileiro está sediado em Minas Gerais. A iniciativa, que começou em junho de 2016, prevê investimentos da Companhia de Desenvolvimento Econômico de Minas Gerais (Codemig) da ordem de R$ 21,3 milhões, em três anos, para desenvolver a tecnologia e implantar uma fábrica piloto no Brasil. Denominado MG Grafeno, o projeto é realizado em parceria com o Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear/Comissão Nacional de Energia Nuclear (CDTN/CNEN), por meio do Laboratório de Química de Nanoestruturas de Carbono (LQN), e com a Universidade Federal de Minas Gerais, por intermédio do Departamento de Física. A futura planta, com capacidade instalada para até 30 kg de grafeno por ano, deverá ser construída na Região Metropolitana de Belo Horizonte. A estatal mineira diz que serão produzidas soluções que possam atender ao mercado, considerando que o grafeno será um ativo tecnológico customizado, conforme as necessidades da aplicação, não se limitando a um nicho específico. O projeto também prevê a demonstração e a adequação do material produzido a aplicações como baterias, compósitos poliméricos, filmes finos condutores, sensores/dispositivos, dentre outras, permitindo a atração de parceiros industriais. Além disso, existem universidades brasileiras com diversas pesquisas na área, algumas já produzindo Grafeno.

Alguns exemplos de locais onde o Grafeno está sendo produzido no Brasil:

● Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) - desenvolve um método de produção de grafeno através da extração de grafite de pilhas usadas.

● Universidade de Brasília - Campus Gama (UnB - FGA)

● Universidade Presbiteriana Mackenzie Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

[24]

Ver tambémEditar

Referências

  1. a b c «Cientistas desenvolvem 'peneira' de grafeno que transforma água do mar em potável». BBC Brasil + G1 Ciência e Saúde. 3 de abril de 2017. Consultado em 4 de abril de 2017. Cópia arquivada em 4 de abril de 2017 
  2. a b c «Grafeno, o material mágico de 1001 utilidades!». Engenheiro na Web. 21 de janeiro de 2017. Consultado em 21 de janeiro de 2017 
  3. a b «Ato de Equilíbrio». Scientific American Brasil. Dezembro de 2011. Consultado em 25 de novembro de 2011. Nossa pesquisa estabelece o grafeno como o material mais resistente já demonstrado[...]. [...] O grafeno é uma folha plana de átomos de carbono densamente compactados em uma grade de duas dimensões e é um ingrediente para materiais de grafite de outras dimensões. Pode ser montado como fulerenos 0D, enrolados como nanotubos 1D ou colocados como grafite 3D." Imagine uma rede de arame, com a diferença de que cada ponto de conexão seria um átomo de carbono. O resultado dessa metamorfose mental é grafeno (bom, grafeno virtual). 
  4. «Grafeno: O material 10x mais forte que o aço!». Engenheiro na Web. 21 de janeiro de 2017. Consultado em 21 de janeiro de 2017 
  5. Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/10/2013. «Carbino: vem aí o novo material mais forte do mundo». Inovação Tecnológica. Consultado em 9 de novembro de 2018 
  6. H. P. Boehm, R. Setton, E. Stumpp (1994). «Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds». Pure and Applied Chemistry. 66 (9): 1893–1901. doi:10.1351/pac199466091893 
  7. H. C. Schniepp, J.-L. Li, M. J. McAllister, H. Sai, M. Herrera-Alonso, D. H. Adamson, R. K. Prud’homme, R. Car, D. A. Saville, I. A. Aksay (2006). «Functionalized Single Graphene Sheets Derived from Splitting Graphite Oxide». The Journal of Physical Chemistry B. 110 (17): 8535–8539. PMID 16640401. doi:10.1021/jp060936f 
  8. H. P. Boehm, A. Clauss, G. O. Fischer, U. Hofmann (1962). «Das Adsorptionsverhalten sehr dünner Kohlenstoffolien». Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 316 (3–4): 119–127. doi:10.1002/zaac.19623160303 
  9. The Nobel Prize in Physics 2010
  10. The Story of graphene
  11. Boehm, H.P.; Setton, R. and Stumpp, E. (1994). «Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds». Pure and Applied Chemistry. 66: 1893-1901. doi:10.1351/pac199466091893 
  12. [1][2][3][4]
  13. Autores : J. E. D.Vieira Segundo, E. O. Vilar 2017 ISSN 1809-8797
  14. Autores : J. E. D.Vieira Segundo, E. O. Vilar 2017 ISSN 1809-8797
  15. Graphene Science Handbook, Six-Volume. Autores: Mahmood Aliofkhazraei, Nasar Ali, William I. Milne, Cengiz S. Ozkan, Stanislaw Mitura & Juana L. Gervasoni. CRC Press, 2016, pág. 130 (em inglês) ISBN 9781466591196 Adicionado em 09/11/2018.
  16. «Placa solar que gera energia com chuva também!». Engenheiro na Web. 21 de janeiro de 2017 
  17. Nobel atribuído a dois russos por experiências com o grafeno
  18. Supercapacitores de grafeno podem carregar até 1000x mais rápido que baterias de hoje em dia (em inglês).
  19. Grafeno vem purificar água contaminada. Por Oleg Nekhai, Alexei Lyakhov. Voz da Rússia, 11 de janeiro de 2013.
  20. tu, P3, Tratamos tudo por. «Chá de grafeno extrai metais pesados da água | P3». P3. Consultado em 20 de julho de 2015 
  21. [5]
  22. [ https://graphene-flagship.eu/][6]
  23. Laser Scribing of High-Performance and Flexible Graphene-Based Electrochemical Capacitors. Por Maher F. El-Kady, Veronica Strong, Sergey Dubin, Richard B. Kaner. Science, 16 de março de 2012: Vol. 335 no. 6074 pp. 1326-1330 DOI: 10.1126/science.1216744
  24. [7]

BibliografiaEditar

Ligações externasEditar