O que é grafeno?

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O grafeno é um material que possui diversas propriedades capazes de revolucionar a tecnologia

O grafeno é um material composto por uma camada bidimensional de átomos de carbono organizados em estruturas hexagonais, cuja altura é equivalente à de um átomo. Esse material pode ser produzido por meio da extração de camadas superficiais de grafite, um mineral abundante na Terra e um dos alótropos mais comuns do carbono.

As ligações químicas e a espessura do grafeno são responsáveis por diversas propriedades importantes desse elemento, como resistência mecânica e condutividades térmica e elétrica. Essas características têm atraído os cientistas e a indústria tecnologia por suas infinitas possibilidades de uso.

A descoberta do grafeno

O grafeno estável e bidimensional foi descoberto acidentalmente em 2004 pelos físicos russos Andre Geim e Konstantin Novoselov. Essa descoberta garantiu aos pesquisadores o prêmio Nobel de Física, em 2010. No entanto, a existência desse alótropo do carbono já era conhecida desde 1930.

Propriedades do grafeno

O grafeno tem inúmeras propriedades que fazem dele um material com diversas aplicações tecnológicas. Conheça as principais propriedades desse alótropo.

Propriedades mecânicas

O grafeno é o material mais resistente já conhecido. Essa resistência decorre das fortes ligações formadas entre seus átomos de carbono. Materiais largamente utilizados na construção civil, como o aço, suportam apenas um terço dessa pressão.

Outra propriedade interessante do grafeno é seu alto módulo de Young, indicando que, além de resistente, esse material é bastante elástico. Por isso, ele é capaz de retornar ao seu tamanho original com relativa facilidade.

As pequenas áreas de cada hexágono de carbono são responsáveis pela alta impermeabilidade do grafeno, que pode ser usado como uma pequena rede capaz de segurar gases que vazam facilmente de seus recipientes, como o gás hidrogênio. Além de ser extremamente resistente, o grafeno é muito leve: sua densidade é de 0,77 g/ m², ou seja, cerca de mil vezes mais leve que uma folha de papel.

Propriedades elétricas

Os elétrons conseguem propagar-se no grafeno quase livremente sem sofrerem desvios ou colisões. Em decorrência da estrutura hexagonal das ligações de carbono, os elétrons deslocam-se no interior dessas finas camadas em velocidades relativísticas, isto é, próximas à velocidade da luz.

Em temperatura ambiente, a resistividade elétrica do grafeno é a mais baixa que existe. Assim, esse elemento pode ser considerado o melhor condutor metálico.

Propriedades ópticas

Por permitir a passagem de 97,5% da luz incidente, o grafeno é invisível a olho nu. Esse comportamento óptico surge das propriedades relativísticas dos elétrons no grafeno. Isso implica que, ao amontoarem diversas folhas de grafeno, é possível produzir um corpo perfeitamente negro, capaz de absorver quase toda a radiação incidente sobre ele.

Propriedades térmicas

Em virtude das suas propriedades elétricas, o grafeno é um excelente condutor térmico. Esse material é capaz de dissipar calor mais rápido que qualquer outro conhecido. Além disso, alguns estudos sugerem que sua temperatura de fusão seja de 3851 °C.

Logo, as principais propriedades e características do grafeno são:

  • É extremamente fino: possui a espessura de um átomo;
  • É altamente resistente: cerca de 200 vezes mais resistente do que o aço;
  • É flexível;
  • É impermeável;
  • É transparente: transmite cerca de 97,5% dos raios de luz;
  • Possui alta condutividade térmica e elétrica: conduz energia elétrica 100 vezes mais rápido do que o cobre. Estudos também mostraram que a velocidade com que os elétrons percorrem o grafeno é de 1000 km/s (60 vezes mais rápido do que o silício);
  • Possui elevada dureza
  • Possui menor efeito Joule: perde menos energia na forma de calor ao conduzir elétrons.

Aplicações do grafeno

Em decorrência de suas propriedades e características, o grafeno é um dos materiais mais promissores conhecidos. Suas aplicações tecnológicas são vastas, porém limitadas pela capacidade de produção desse material em larga escala. Dispositivos como telas de LED dobráveis, células fotovoltaicas, transistores mais eficientes, supercapacitores, dissipadores de calor e super baterias de celular são alguns exemplos de tecnologias desenvolvidas por meio da utilização do grafeno.

Além disso, o grafeno pode ser aplicado em outras áreas de estudo, tais como:

Água potável

Membranas formadas por grafeno são capazes de dessalinizar e purificar a água do mar

Emissões de CO2

Filtros de grafeno são capazes de reduzir as emissões de CO2 ao separar gases gerados por indústrias e comércios

Detecção de doenças

Sensores biomédicos muito mais rápidos são feitos à base de grafeno e podem detectar doenças, vírus e outras toxinas

Construção civil

Materiais de construção, como betão e alumínio, se tornam mais leves e resistentes com a adição de grafeno

Estética

Coloração de cabelo pela pulverização de grafeno dura até 30 lavagens

Microdispositivos

Chips menores e mais resistentes devido à substituição do silício pelo grafeno

Energia

Células solares têm melhor flexibilidade, mais transparência e diminuição dos custos de produção com o uso de grafeno

Eletrônicos

Baterias com melhor e mais rápido armazenamento de energia

Mobilidade

Bicicletas podem ter pneus mais firmes e quadros pesando 350 gramas com o uso de grafeno

Entre os estudos relacionados ao grafeno, destacam-se aqueles que envolvem o desenvolvimento de novos cabos de transmissão de dados para a internet. De acordo com uma pesquisa publicada pela revista Nature Communication, a ideia é aproveitar toda a velocidade alcançada pelos elétrons no grafeno – as células se movem nele centenas de vezes mais rapidamente do que nos cabos atualmente utilizados.

Importância do grafeno para o Brasil

O Brasil está inserido na corrida tecnológica em busca da obtenção de métodos mais baratos e eficientes para a produção de grafeno. De acordo com o relatório produzido pelo Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM), o mercado do grafeno deverá ser um dos mais rentáveis do mundo, tendo potencial de atingir até 1 trilhão de dólares em 10 anos. Além disso, o Brasil possui as maiores reservas de grafeno do mundo.

Preço do grafeno

Em função de seus complexos meios de obtenção, o preço do grafeno ainda é elevado. As técnicas mais atuais que permitem a produção de camadas puras e finas desse material funcionam com a deposição de vapor em substratos metálicos, como folhas de cobre.

Atualmente, uma folha de grafeno de 5,08 cm por 2,54 cm pode custar até 275 dólares: uma média de 21 dólares por centímetro quadrado. No entanto, fatores como impurezas e assimetrias podem reduzir drasticamente esse preço. O grafeno também pode ser obtido a partir de grafite: com 1 kg de grafite, que custa aproximadamente 1 dólar, é possível produzir 150 g de grafeno, cujo valor supera os 15 mil dólares.

Curiosidades sobre o grafeno

  • O projeto Graphene Flagship, da União Europeia, destinou cerca de 1,3 bilhão de euros para pesquisas relacionadas ao grafeno, aplicações e desenvolvimento de produção em escala industrial. Ao todo, 150 instituições de 23 países participam desse projeto.
  • A primeira mala desenvolvida para viagens espaciais possui grafeno em sua composição. Seu lançamento está previsto para 2033, quando a NASA pretende realizar expedições para Marte.
  • O borofeno é o novo concorrente do grafeno. Esse material, descoberto em 2015, é tido como uma versão aperfeiçoada do grafeno, sendo ainda mais flexível, resistente e condutor.


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