Grafeno, o material que pode aumentar em 10 vezes a velocidade dos chips
Composto por uma única camada de átomos de carbono, o grafeno é um material leve e resistente. Ao mesmo tempo, é caro e demanda muita energia
“Chips do futuro poderão ser 10 vezes mais rápidos, graças ao grafeno”; “Grafeno poderá ser usado para detecção de Covid-19”; “Baterias à base de grafeno carregam até cinco vezes mais rápido” – estes são apenas alguns exemplos de manchetes recentes que enaltecem a aplicabilidade do grafeno.
Composto por uma fina camada de átomos de carbono, o grafeno é um material extremamente leve e resistente. Tendo em vista essas propriedades, não é de se admirar que pesquisadores estejam há décadas investigando os avanços que ele pode trazer para a ciência e para a tecnologia.
É um material extraordinário, como sugerem as manchetes sensacionalistas, mas que ainda está começando a ser aplicado na prática. O problema não está nas propriedades do grafeno, mas no fato de que ainda é extremamente difícil e caro usá-lo na fabricação de produtos em escala comercial.
O QUE É GRAFENO?
O grafeno pode ser definido como uma única camada de átomos de carbono ligados entre si em uma estrutura hexagonal plana. Pense no grafeno puro como uma folha de papel de seda, mas que, no caso, também é o material mais resistente da face da Terra.
É um material extraordinário, mas que ainda está começando a ser aplicado na prática.
Ele vem geralmente na forma de um pó composto de pequenas lâminas com espessura próxima a de um grão de areia. Uma única lâmina de grafeno é 200 vezes mais resistente do que uma peça igualmente fina de aço. Também é um ótimo condutor térmico – suporta, sem sofrer danos, temperaturas de até 700º C –, é resistente a ácidos, flexível e muito leve.
Considerando todas essas propriedades, o grafeno poderia ser largamente empregado. O material pode ser usado para produzir aparelhos eletrônicos flexíveis e para purificar ou dessalinizar a água. Adicionar apenas 1 grama de grafeno a 5 quilos de cimento aumenta a resistência deste em 35%.
COMO PRODUZIR UM SUPERMATERIAL
A primeira folha de grafeno do mundo foi produzida em 2004 a partir do grafite. O grafite, aquele mesmo material do lápis de escrever, é composto por milhões de folhas de grafeno sobrepostas.
A chamada síntese “de cima para baixo”, também conhecida como esfoliação de grafeno, se dá pela extração de camadas tão finas quanto possível de carbono da superfície do grafite. Os cientistas que produziram as primeiras folhas de grafeno usaram fita adesiva para descascar camadas de carbono de um pedaço de grafite.
O grafite é composto por milhões de folhas de grafeno sobrepostas.
Mas há um porém: as forças intermoleculares do grafite que mantêm as folhas de grafeno unidas são muito intensas, o que dificulta o processo de separação dessas folhas. Por causa disso, o grafeno produzido por esfoliação é geralmente muito espesso, apresenta buracos ou deformações e pode conter impurezas.
As fábricas têm capacidade para produzir algumas toneladas por ano de grafeno esfoliado mecanicamente ou quimicamente. Para muitas aplicações, o grafeno de qualidade inferior funciona bem.
Já a síntese “de baixo para cima”, chamada de deposição, vai formando as lâminas de carbono átomo por átomo, em um processo que leva algumas horas. Esse processo permite que os pesquisadores produzam grafeno de alta qualidade, com apenas um átomo de espessura e até 76 centímetros de largura.
As propriedades mecânicas e elétricas do grafeno produzido desta forma são as melhores possíveis. A desvantagem é que leva horas para se produzir até 0,00001 grama desse material – ritmo muito aquém do necessário para a produção em larga escala, como de painéis solares ou telas sensíveis ao toque (touch screen), por exemplo.
QUAIS SÃO OS OBSTÁCULOS?
Os métodos atuais de produção de grafeno, tanto o de esfoliação quanto o de deposição, são caros, consomem grande quantidade de energia e recursos e, no fim das contas, geram pouco material, em um ritmo demasiadamente lento.
A produção atual mal consegue cobrir a quantidade necessária para o uso em experimentos, quem dirá para uso mais amplo.
Há empresas que fabricam grafeno e vendem o material a preços que variam de US$ 60 mil a US$ 200 mil a tonelada. Com custos tão altos, são poucos os projetos que valem o investimento.
Basta uma pequena quantidade de grafeno, seja o de alta ou o de baixa qualidade, para satisfazer as necessidades dos pesquisadores. Já no caso das empresas, a produção do protótipo de um novo material ou o processo de fabricação de um produto requer centenas de folhas ou muitos quilos de pó de grafeno, além de demandar bastante tempo e esforço.
A produção atual mal consegue cobrir a quantidade necessária para o uso em experimentos, quem dirá para uso mais amplo.
APRIMORANDO A PRODUÇÃO
Para um material que existe há relativamente pouco tempo, muito progresso foi feito no que diz respeito ao aumento da produção e à aplicação do grafeno.
Reduzidos os custos, as aplicações comerciais logo surgirão.
Tudo indica que ele está começando a ganhar relevância no âmbito comercial. Há inúmeras startups dedicadas ao grafeno que investem em uma ampla gama de aplicações, desde armazenamento de energia até tratamentos de estimulação do sistema nervoso.
Empresas de grande porte, como Tesla, LG e a gigante da área da química BASF também estão pesquisando formas de usar o grafeno em baterias recarregáveis, produtos eletrônicos flexíveis ou vestíveis e materiais de última geração.
O grafeno está pronto para passar por uma série de avanços que reduzirão os custos e aumentarão a escala de produção, e trata-se de uma área de intensa pesquisa acadêmica.
Reduzidos os custos, as aplicações comerciais logo surgirão. A expectativa é enorme, mas ainda vai demorar algum tempo até que esse material possa mostrar a que veio.
