Camada de carbono com um átomo de espessura, o grafeno entusiasma desde sua redescoberta, em 2004, pela promessa de muitas aplicações: próteses resistentes e flexíveis, celulares e tablets enroláveis e internet ultraveloz, entre outras. Em 2010 foram publicados três mil ensaios sobre esse novo material.
Por Eduardo Araia
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Um material tão ou mais revolucionário do que o silício e o plástico, extremamente forte, leve, flexível, ótimo condutor de eletricidade e quase totalmente transparente. Esse é o cartão de visitas do grafeno, que deu o Prêmio Nobel de Física de 2010 para Andre Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester (Grã-Bretanha) – o dínamo de uma provável nova era industrial. Essa fina lâmina de carbono de um átomo de espessura não é exatamente uma novidade. Ela já havia sido notada em 1947, pelo físico canadense P. R. Wallace, no estudo das propriedades eletrônicas da grafite, o metal usado na fabricação de lápis, de onde o grafeno também é extraído. Mas obter uma amostra dela fosse então considerado impossível.
O grafeno só foi observado pela primeira vez em 1962, pelos químicos alemães Ulrich Hofmann e Hanns-Peter Boehm. Foi Boehm quem o batizou. Mas suas propriedades ficaram desconhecidas por décadas, até ele reaparecer em grande estilo em 2004, na Universidade de Manchester. Curiosamente, a cidade que se tornou símbolo da Revolução Industrial, no início do século 19.
 A estrutura atômica hexagonal das moléculas do grafeno proporciona máxima flexibilidade com extrema resistência. |
Dois cientistas emigrados da Rússia – o holandês Geim, diretor do departamento de Física da universidade, e o russo-britânico Novoselov, pesquisador de pós-doutorado – começaram a pensar, em Manchester, na criação de uma substância bidimensional que servisse de opção ao silício usado em semicondutores. Decidiram fazer experiências com a grafite e buscaram obter a mais fina fatia possível desse metal para ver como funcionaria.
De modo inesperado, nos fragmentos presos em uma fita adesiva que os cientistas usavam para limpar a superfície de um bloco de grafite, surgiu o grafeno. Examinados em um microscópio atômico, esses resíduos foram testados e, já na primeira tentativa, funcionaram bem como transistores.
A partir daí, e durante meses, a equipe de Geim e Novoselov foi melhorando a condutividade do fragmento, tornando-o cada vez mais fino, até chegar à espessura de um átomo. Para surpresa dos cientistas, o material ultrafino não só mantinha uma estrutura de ligação hexagonal, semelhante à de uma cerca de galinheiro, como também apresentava um peculiar arranjo simétrico de elétrons que aumentava sua condutividade.
A descoberta dessas e de outras propriedades do grafeno, divulgadas por Geim e Novoselov ainda em 2004, rendeu-lhes seis anos depois o Nobel de Física, e deu início a uma corrida ao material em várias partes do mundo. Desde então, ele continua a surpreender os pesquisadores com um potencial aparentemente ilimitado de aproveitamentos – só em 2010, foram publicados cerca de 3 mil estudos a esse respeito. “O grafeno não tem apenas uma aplicação”, afirma Geim. “Não é nem mesmo um material: é uma enorme gama de materiais. Uma boa comparação seria a maneira como os plásticos são usados.”
As pesquisas se espalham por várias direções e suas possibilidades têm deixado muita gente eufórica – o governo britânico, por exemplo, vai investir 50 milhões de libras (cerca de R$ 144 milhões) nas pesquisas da equipe da Universidade de Manchester e na criação de um centro regional que leve conhecimentos para as indústrias. Mas vários pesquisadores ressalvam que a novidade deve ser vista com mais cautela.
 Andre Geim (à esq.) e Konstantin Novoselov ganharam o Nobel de Física de 2010 por pesquisas com o grafeno. |
Para Novoselov, por exemplo, é preciso tempo para o grafeno ser viabilizado industrialmente. O silício, lembra, só passou a ser usado em transistores seis ou sete anos após o seu surgimento, e os primeiros circuitos integrados só foram fabricados 10 ou 20 anos depois disso. Mas as perspectivas são entusiasmantes.
O pesquisador Phaedon Avouris, da IBM, diz que o grafeno ainda não substitui o silício, pois, embora seja um excelente condutor, não pode ser “desligado”, o que o tornaria inviável para certas utilizações. Todo o potencial tem de ser testado na prática: “O tipo de força que as pessoas citam pode nem mesmo se aplicar a amostras microscópicas”, ressalta o físico Yu-ming Lin, também da IBM.
No geral, a comunidade acadêmica está deslumbrada. Muitos apostam que o grafeno vai ser um protagonista de peso em nosso cotidiano nos próximos tempos. Segundo Novoselov, ele pode inclusive significar a porta para a criação de objetos que ainda pertencem ao reino da imaginação. “A verdadeira empolgação, atualmente, é a forma como podemos agora recobrir o grafeno com diferentes materiais bidimensionais, cada camada possuindo propriedades diferentes”, ressalta. Os limites para o grafeno ainda terão de ser descobertos.
Recordes de desempenho
1 metro quadrado de rede de grafeno poderia suportar um gato de 4 quilos; a rede pesaria 0,77 miligrama e seria praticamente invisível
200 vezes
maior que a do aço é a sua resistência
maior que a do aço é a sua resistência
6 mil átomos
ou seja, uma área inferior a 20 nanômetros – tornam o grafeno o material termodinamicamente mais instável conhecido. Mas com 24 mil átomos ele se torna o material mais estável conhecido
ou seja, uma área inferior a 20 nanômetros – tornam o grafeno o material termodinamicamente mais instável conhecido. Mas com 24 mil átomos ele se torna o material mais estável conhecido
100 milhões
de dólares por cm2 quadrado era o preço do grafeno em 2008; em 2009, o início da produção em escala derrubou o valor para US$ 100/cm2
de dólares por cm2 quadrado era o preço do grafeno em 2008; em 2009, o início da produção em escala derrubou o valor para US$ 100/cm2
150 gigahertz
é a velocidade do transistor criado pela IBM usando grafeno; o mais rápido de silício alcança cerca de 40 GHz
é a velocidade do transistor criado pela IBM usando grafeno; o mais rápido de silício alcança cerca de 40 GHz
3 milhões
de camadas de grafeno empilhadas têm altura de 1 milímetro
de camadas de grafeno empilhadas têm altura de 1 milímetro
1 átomo
é a espessura do material
é a espessura do material
Teia de aplicações
Aparelhos com telas sensíveis ao toque
Quase todos os aparelhos eletrônicos disponíveis possuem telas com óxido de índio-estanho, uma substância transparente e ótima condutora. O índio, porém está cada vez mais raro. Já o grafeno vem do abundante carbono. Com ele, as telas touchscreen ganhariam uma qualidade adicional: flexibilidade. Pesquisadores sul-coreanos trabalhando em parceria com a Samsung abriram o caminho, ao produzir uma camada contínua de grafeno com 63 centímetros de largura de uma forma que facilita a fabricação em massa. As telas flexíveis podem ser o ponto de partida para aparelhos como celulares e tablets capazes de ser enrolados como uma folha de papel. Para tanto, o restante desses artefatos também teria de ser flexível, mas esse é um obstáculo menor do que se imagina. A IBM já montou um transistor de grafeno em escala de placa semicondutora, e no ano passado apresentou um modelo conceitual de circuito de grafeno. A Nokia estuda o uso do grafeno em aparelhos móveis, trabalhando com a ideia de artefatos transparentes e munidos de células solares. Os primeiros aparelhos entortáveis deverão chegar ao mercado em 2013.
Quase todos os aparelhos eletrônicos disponíveis possuem telas com óxido de índio-estanho, uma substância transparente e ótima condutora. O índio, porém está cada vez mais raro. Já o grafeno vem do abundante carbono. Com ele, as telas touchscreen ganhariam uma qualidade adicional: flexibilidade. Pesquisadores sul-coreanos trabalhando em parceria com a Samsung abriram o caminho, ao produzir uma camada contínua de grafeno com 63 centímetros de largura de uma forma que facilita a fabricação em massa. As telas flexíveis podem ser o ponto de partida para aparelhos como celulares e tablets capazes de ser enrolados como uma folha de papel. Para tanto, o restante desses artefatos também teria de ser flexível, mas esse é um obstáculo menor do que se imagina. A IBM já montou um transistor de grafeno em escala de placa semicondutora, e no ano passado apresentou um modelo conceitual de circuito de grafeno. A Nokia estuda o uso do grafeno em aparelhos móveis, trabalhando com a ideia de artefatos transparentes e munidos de células solares. Os primeiros aparelhos entortáveis deverão chegar ao mercado em 2013.
Internet
O grafeno pode ajudar a tornar a internet muito mais rápida. Cientistas das universidades de Manchester e de Cambridge aperfeiçoaram dispositivos baseados no grafeno para uso de fotodetectores em sistemas ópticos de comunicação em alta velocidade. Ao combinar grafeno com nanoestruturas metálicas, os pesquisadores conseguiram transmitir a luz numa velocidade 20 vezes maior. Notaram ainda que, ao colocar as estruturas sobre o grafeno e iluminá-las, obtinham energia: o conjunto resultante comporta-se como uma célula solar. A eficiência na transmissão de luz deverá aumentar com novas pesquisas.
Próteses
Com o grafeno será possível produzir membros mais resistentes, flexíveis e leves. Além disso, sua boa condutividade lhe permitiria integrar eletrodos usados para converter sinais cerebrais em movimento.
Células de hidrogênio
Folhas de grafeno oxidadas e sobrepostas armazenam hidrogênio com alto grau de impermeabilidade. Isso as torna ótima opção para o rendimento do combustível de veículos “verdes”.
Indústrias civil, automotiva, aeronáutica e naval
Materiais compostos que contêm grafeno teriam enorme resistência (o que aumenta a segurança em caso de acidentes) e seriam leves, portanto mais econômicos em relação aos usados hoje.
Painéis solares
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts afirmam que o grafeno tornaria os eletrodos das células solares orgânicas (constituídas de moléculas à base de carbono) mais leves, flexíveis e baratos do que os disponíveis hoje.
Iluminação
Por ser eletroquimicamente estável, o grafeno é ideal para ser usado em células eletroquímicas emissoras de luz (LEC). Uma combinação de uma camada orgânica transparente com dois eletrodos de grafeno dá origem a janelas e portas quase transparentes quando desligadas, que se tornam fontes de luz quando ligadas.
Revista Planeta
