O grafeno é um supermaterial comprovado, mas a fabricação da forma versátil de carbono em escalas utilizáveis continua sendo um desafio

“Os chips futuros podem ser 10 vezes mais rápidos, tudo graças ao grafeno”; “O grafeno pode ser usado na detecção da COVID-19”; e “O grafeno permite que as baterias carreguem 5x mais rápido” – essas são apenas algumas das manchetes dramáticas recentes elogiando as possibilidades do grafeno. O grafeno é um material incrivelmente leve, forte e durável feito de uma única camada de átomos de carbono. Com essas propriedades, não é de admirar que os pesquisadores tenham estudado maneiras pelas quais o grafeno poderia avançar a ciência e a tecnologia de materiais por décadas.

Eu nunca sei o que esperar quando digo às pessoas que estudo grafeno – algumas nunca ouviram falar disso, enquanto outras viram alguma versão dessas manchetes e inevitavelmente perguntam: “Então, qual é o obstáculo?”

O grafeno é um material fascinante, assim como as manchetes sensacionalistas sugerem, mas está apenas começando a ser usado em aplicações do mundo real. O problema não está nas propriedades do grafeno, mas no fato de que ainda é incrivelmente difícil e caro fabricar em escalas comerciais.

O grafeno puro é um cristal de carbono uniforme de um único átomo de espessura disposto em um padrão hexagonal, como visto nesta imagem de microscópio eletrônico. Fonte: M.H. Gass/Wikimedia Commons, CC BY.

O que é grafeno?

O grafeno é mais simplesmente definido como uma única camada de átomos de carbono ligados entre si em uma estrutura hexagonal, semelhante a uma folha. Você pode pensar no grafeno puro como uma folha de papel de tecido de carbono de uma camada de espessura que é o material mais forte da Terra.

O grafeno geralmente vem na forma de um pó feito de pequenas folhas individuais que têm aproximadamente o diâmetro de um grão de areia. Uma folha individual de grafeno é 200 vezes mais forte do que uma peça de aço igualmente fina. O grafeno também é extremamente condutor, mantém-se unido a até 700 ºC, pode suportar ácidos e é flexível e muito leve. Devido a essas propriedades, o grafeno pode ser extremamente útil. O material pode ser usado para criar eletrônicos flexíveis e para purificar ou dessalinizar a água. E adicionando apenas 1 grama de grafeno a 5 kg de cimento aumenta a resistência do cimento em 35%.

No final de 2022, a Ford Motor Co., com a qual trabalhei como parte de minha pesquisa de doutorado, é uma das únicas empresas a usar grafeno em escalas industriais. A partir de 2018, a Ford começou a fabricar plástico para seus veículos que era de 0,5% de grafeno – aumentando a resistência do plástico em 20%.

Os pesquisadores fizeram o primeiro pedaço de grafeno descascando camadas de carbono do grafite – ou chumbo de lápis – com fita adesiva. Fonte: Rapid Eye/E+ via Getty Images.

Como fazer um supermaterial

O grafeno é produzido de duas maneiras principais que podem ser descritas como um processo de cima para baixo ou de baixo para cima.

A primeira folha de grafeno do mundo foi criada em 2004 a partir de grafite. O grafite, comumente conhecido como chumbo de lápis, é composto por milhões de folhas de grafeno empilhadas umas sobre as outras. A síntese de cima para baixo, também conhecida como esfoliação de grafeno, funciona descascando as camadas mais finas possíveis de carbono do grafite. Algumas das primeiras folhas de grafeno foram feitas usando fita de celofane para descascar camadas de carbono de um pedaço maior de grafite.

O problema é que as forças moleculares que mantêm as folhas de grafeno juntas no grafite são muito fortes, e é difícil separar as folhas. Devido a isso, o grafeno produzido usando métodos de cima para baixo tem muitas vezes várias camadas de espessura, tem buracos ou deformações e pode conter impurezas. As fábricas podem produzir algumas toneladas de grafeno esfoliado mecanicamente ou quimicamente por ano, e para muitas aplicações – como misturá-lo em plástico – o grafeno de baixa qualidade funciona bem.

Os flocos de grafeno feitos de métodos de cima para baixo geralmente têm mais de um átomo de espessura e têm impurezas como dobras e lágrimas, como visto nesta imagem. Fonte: Дагесян Саркис Арменакович/Wikimedia Commons, CC BY-SA.

O grafeno esfoliado de cima para baixo está longe de ser perfeito, e algumas aplicações precisam dessa única folha de carbono intocada.

A síntese de baixo para cima constrói as folhas de carbono, um átomo de cada vez, ao longo de algumas horas. Este processo – chamado de deposição de vapor – permite que os pesquisadores produzam grafeno de alta qualidade com um átomo de espessura e até cerca de 76 cm polegadas de diâmetro. Isso produz grafeno com as melhores propriedades mecânicas e elétricas possíveis. O problema é que, com uma síntese de baixo para cima, pode levar horas para fazer até 0,00001 grama – não rápido o suficiente para qualquer uso em grande escala, como em eletrônicos flexíveis de tela sensível ao toque ou painéis solares, por exemplo.

Então, qual é o obstáculo?

Os métodos atuais de produção de grafeno, tanto de cima para baixo quanto de baixo para cima, são caros, bem como intensivos em energia e recursos, e simplesmente produzem muito pouco produto, muito lentamente.

Algumas empresas fabricam grafeno e o vendem de R$ 300.000,00 a mais de R$ 1.000.000,00 por tonelada. Há um número limitado de usos que fazem sentido a esses altos custos.

Embora pequenas quantidades de grafeno de cima para baixo ou de baixo para cima possam satisfazer as necessidades dos pesquisadores, para as empresas, mesmo que seja apenas para o processo de prototipagem de um novo material, aplicação ou processo de fabricação requer muitos quilos de pó de grafeno ou centenas de folhas de grafeno e muito tempo e esforço. Foram necessários investimentos significativos e mais de quatro anos de estudo, desenvolvimento e otimização antes que o grafeno chegasse à linha de produção da Ford.

A produção atual mal pode cobrir a experimentação, muito menos o uso generalizado.

Melhorar a fabricação

Para um material que existe apenas desde 2004, muito progresso foi feito na ampliação da produção e implementação do grafeno.

Há indícios de que o grafeno está começando a romper em um nível comercial. Há um grande número de startups relacionadas ao grafeno que analisam uma ampla gama de usos que vão desde o armazenamento de energia até compósitos e estimulação nervosa. Grandes empresas – como Tesla, LG e a gigante química BASF – também estão investigando como o grafeno poderia ser usado, em baterias recarregáveis, eletrônicos flexíveis ou vestíveis e materiais de próxima geração.

O grafeno está maduro para um avanço que reduzirá o custo e aumentará a escala de produção, e esta é uma área de intensa pesquisa acadêmica. Uma nova técnica descoberta em 2020, chamada aquecimento flash joule, é especialmente promissora. Os pesquisadores mostraram que a passagem de grandes quantidades de eletricidade através de qualquer fonte de carbono reorganiza as ligações carbono-carbono em uma estrutura de grafeno. Usando este processo, é possível fazer muitos quilos de grafeno de alta qualidade por um custo relativamente baixo de qualquer material contendo carbono, como carvão ou mesmo lixo. Uma empresa chamada Universal Matter Inc. já está comercializando o processo.

Uma vez que o custo do grafeno caia, as aplicações comerciais seguirão. O apetite por grafeno é enorme, mas levará algum tempo até que esse material faça jus ao seu potencial.(Ambientebrasil)

Fonte: The Conversation / Kevin Wyss
Tradução: Redação Ambientebrasil / Maria Beatriz Ayello Leite