O que é grafeno? Aqui está o que você precisa saber sobre um material que poderia ser o próximo silício

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Graphene, um material emergente que poderia mudar a forma como os componentes eletrônicos são feitos e ajudar o desempenho da computação a continuar a crescer, está em todos os lugares do mundo da pesquisa nos dias de hoje.

Só neste mês, os avanços sugeriram que poderia aumentar a velocidade da Internet, servir como um revestimento sensível ao toque e prolongar a vida dos computadores. É mais forte que o diamante e conduz electricidade e calor melhor que qualquer material jamais descoberto, e provavelmente desempenhará um papel importante em muitos produtos e processos no futuro.

O que é o grafeno?

O grafeno é feito de uma única camada de átomos de carbono que são unidos num padrão repetitivo de hexágonos. O grafeno é um milhão de vezes mais fino que o papel; tão fino que na verdade é considerado bidimensional.

O carbono é um elemento incrivelmente versátil. Dependendo de como os átomos estão dispostos, ele pode produzir diamantes duros ou grafite macia. O padrão de favo de mel plano do grafeno lhe confere muitas características incomuns, incluindo o status de material mais forte do mundo. James Hone, professor de engenharia mecânica da Universidade de Columbia, disse certa vez que é “tão forte que seria necessário um elefante, equilibrado num lápis, para quebrar uma folha de grafeno da espessura de Saran Wrap”, de acordo com a universidade.

Estas camadas únicas de átomos de carbono fornecem a base para outros materiais importantes. A grafite – ou chumbo de lápis – é formada quando você empilha grafeno. Os nanotubos de carbono, que são outro material emergente, são feitos de grafeno laminado. Estes são usados em bicicletas, raquetes de ténis e até engenharia de tecidos vivos.

Como foi descoberto?

Chances are good that you have made graphene many times in your life. Desenhe uma linha com um lápis e pequenos bocados de grafeno irão desbotar. Mas ninguém tinha as ferramentas e o interesse de isolar o grafeno de forma confiável até o início dos anos 2000.

Graphene foi estudado teoricamente pela primeira vez na década de 1940. Na época, os cientistas pensavam que era fisicamente impossível que um material bidimensional existisse, por isso não procuravam isolar o grafeno. Décadas depois, o interesse despertou e os pesquisadores começaram a sonhar com técnicas para descascar o grafite. Eles tentaram cunhar moléculas entre camadas de grafeno e raspar e esfregar grafite, mas nunca chegaram a uma única camada. Eventualmente, eles foram capazes de isolar o grafeno em cima de outros materiais, mas não por si só.

Em 2002, o pesquisador da Universidade de Manchester Andre Geim se interessou pelo grafeno e desafiou um estudante de doutorado a polir um pedaço de grafite para o menor número possível de camadas. O estudante foi capaz de alcançar 1.000 camadas, mas não conseguiu atingir a meta de Geim de 10 a 100 camadas. Geim tentou uma abordagem diferente: fita adesiva. Ele a aplicou em grafite e a descascou para criar flocos de grafite em camadas. Mais cascas de fita criaram camadas mais finas e mais finas, até que ele tinha um pedaço de grafeno de 10 camadas de espessura.

A equipe de Geim trabalhou para refinar sua técnica e eventualmente produziu uma única camada de átomos de carbono. Eles publicaram suas descobertas na “Science” em outubro de 2004. Geim e seu colega Kostya Novoselov receberam o Prêmio Nobel de Física em 2010 pelo seu trabalho.

Desde aqueles primeiros flocos feitos com fita adesiva, a produção de grafeno melhorou a um ritmo rápido. Em 2009, os pesquisadores conseguiram criar um filme de grafeno que media 30 polegadas de largura.

Por que é incomum?

Geim e o papel de Novoselov foi extremamente interessante para outros cientistas por causa de sua descrição das estranhas propriedades físicas do grafeno. Os elétrons se movem através do grafeno incrivelmente rápido e começam a exibir comportamentos como se fossem sem massa, imitando a física que governa as partículas em escalas super pequenas.

“Esse tipo de interação dentro de um sólido, tanto quanto se sabe, é exclusivo do grafeno”, escreveu Geim e outro famoso pesquisador do grafeno, Philip Kim, em um artigo de 2008 da Scientific American. “Graças a este novo material de um lápis, a mecânica quântica relativista não está mais confinada à cosmologia ou à física de alta energia; ela agora entrou no laboratório”

As propriedades especiais do grafeno não param com a física esquisita. É também:

• Condutivo: Os electrões são as partículas que compõem a electricidade. Então quando o grafeno permite que os elétrons se movam rapidamente, ele está permitindo que a eletricidade se mova rapidamente. É conhecido por mover elétrons 200 vezes mais rápido que o silício, porque eles viajam com tão pouca interrupção. É também um excelente condutor de calor. O grafeno é condutor independente da temperatura e funciona normalmente à temperatura ambiente.
• Strong: Como mencionado anteriormente, seria preciso um elefante com excelente equilíbrio para romper uma folha de grafeno. Ele é muito forte devido ao seu padrão inquebrável e às fortes ligações entre os átomos de carbono. Mesmo quando manchas de grafeno são costuradas juntas, ele permanece o material mais forte lá fora.
• Flexível: Essas fortes ligações entre os átomos de carbono do grafeno são também muito flexíveis. Elas podem ser torcidas, puxadas e curvadas até certo ponto sem quebrar, o que significa que o grafeno é dobrável e esticável.
• Transparente: O grafeno absorve 2,3% da luz visível que o atinge, o que significa que você pode ver através dele sem ter que lidar com qualquer brilho.

Para que pode ser usado?

O uso do grafeno na vida cotidiana não está longe, devido em parte à pesquisa existente sobre nanotubos de carbono – a versão cilíndrica e enrolada do grafeno. Os tubos foram popularizados por um artigo de 1991 (assinatura necessária) e tocados pelas suas incríveis qualidades físicas, a maioria das quais são muito semelhantes ao grafeno. Mas é mais fácil produzir grandes folhas de grafeno e pode ser feito de forma semelhante ao silício. Muitas das aplicações actuais e planeadas para nanotubos de carbono estão agora a ser adaptadas ao grafeno.

Algumas das maiores aplicações emergentes são:

• Células solares: Células solares dependem de semicondutores para absorver a luz solar. Os semicondutores são feitos de um elemento como o silício e têm duas camadas de elétrons. Em uma camada, os elétrons são calmos e ficam ao lado do semicondutor. Na outra camada, os elétrons podem se mover livremente, formando um fluxo de eletricidade. As células solares funcionam transferindo a energia das partículas de luz para os elétrons calmos, que ficam excitados e saltam para a camada de fluxo livre, criando mais eletricidade. As camadas de electrões do grafeno sobrepõem-se, o que significa que é necessária menos energia de luz para que os electrões saltem entre as camadas. No futuro, essa propriedade poderá dar origem a células solares muito eficientes. O uso do grafeno também permitiria células que são centenas de milhares de vezes mais finas e leves que as que dependem do silício.

  

• Transistores: Os chips de computador dependem de biliões de transístores para controlar o fluxo de electricidade nos seus circuitos. A pesquisa tem se concentrado principalmente em tornar os chips mais potentes, embalando-os em mais transistores, e o grafeno poderia certamente dar origem aos transistores mais finos ainda. Mas os transistores também podem se tornar mais poderosos ao acelerar o fluxo de elétrons – as partículas que compõem a eletricidade. À medida que a ciência se aproxima do limite de quão pequenos transístores podem ser, o grafeno poderia empurrar o limite de volta, tanto movendo elétrons mais rápido e reduzindo seu tamanho para poucos átomos ou menos.
• Telas transparentes: Dispositivos como TVs de plasma e telefones são normalmente revestidos com um material chamado óxido de estanho índio. Os fabricantes estão procurando ativamente alternativas que possam cortar custos e proporcionar melhor condutividade, flexibilidade e transparência. O grafeno é uma opção emergente. Ele não é reflexivo e parece muito transparente. A sua condutividade também o qualifica como um revestimento para criar dispositivos touchscreen. Como o grafeno é forte e fino, ele pode dobrar sem quebrar, tornando-o uma boa combinação para a eletrônica dobrável que logo chegará ao mercado.

O grafeno também poderia ter aplicações para sensores de câmera, sequenciamento de DNA, sensoriamento de gás, reforço de material, dessalinização de água e mais.

Quais são as críticas?

O grafeno ainda está em uma fase infantil em comparação com materiais desenvolvidos como silício e ITO. Para que seja amplamente adotado, precisará ser produzido em grandes quantidades a custos iguais ou inferiores aos dos materiais existentes. As técnicas emergentes de rolo a rolo, depósito de vapor e outras técnicas de produção indicam que isso é possível, mas ainda não estão prontas para trazer o grafeno para cada tela de dispositivo móvel. Os pesquisadores também precisarão continuar a trabalhar para melhorar a transparência e condutividade do grafeno em sua forma comercial.

Embora o grafeno mostre promessa para transistores, ele tem um grande problema: ele não pode desligar o fluxo de eletricidade como materiais como o silício, o que significa que a eletricidade fluirá constantemente. Isso significa que o grafeno não pode servir como um transistor por si só. Os pesquisadores estão agora explorando formas de ajustá-lo e combiná-lo com outros materiais para superar essa limitação. Uma técnica envolve a colocação de uma camada de nitreto de boro – outro material com espessura de um átomo – entre duas camadas de grafeno. O transistor resultante pode ser ligado e desligado, mas a velocidade dos elétrons é um pouco mais lenta. Outra técnica envolve a introdução de impurezas no grafeno.

Graphene também pode estar surgindo tarde demais para muitas de suas possíveis aplicações. Baterias de carros elétricos e fibra de carbono poderiam ser feitas com grafeno, mas já dependem de carbono ativado e grafite, respectivamente – dois materiais muito baratos. O grafeno continuará mais caro por enquanto, e pode nunca ser barato o suficiente para convencer os fabricantes a mudar.

O mundo está apenas uma década para explorar o que pode fazer com o grafeno. Em contraste, o silício já existe há quase 200 anos. Ao ritmo que a pesquisa está se movendo, podemos saber muito em breve se o grafeno se tornará onipresente ou apenas mais um passo na descoberta do próximo material maravilhoso.