Grafeno

O grafeno é um material produzido a partir da grafite. Suas incríveis propriedades físicas tornam-no um material com diversas aplicações tecnológicas.

O que é grafeno?

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

As ligações químicas formadas entre os átomos de carbono e a espessura do grafeno tornam esse elemento recordista em algumas propriedades físicas, como resistência mecânica, condutividades térmica e elétrica. Essas características fazem do grafeno um dos mais promissores materiais, podendo ser utilizado nas mais variadas aplicações.

O grafeno é um alótropo cristalino bidimensional do carbono e tem incríveis propriedades físicas.
O grafeno é um alótropo cristalino bidimensional do carbono e tem incríveis propriedades físicas.

O que torna o grafeno especial?

O grafeno tem incríveis propriedades físicas que o tornam um material com diversas aplicações tecnológicas. Conheça algumas propriedades que tornam esse alótropo tão especial.

Propriedades mecânicas

O grafeno é o material mais resistente já conhecido, sendo capaz de suportar pressões de até 130 gigapascal (130.109 Pa). Tamanha resistência decorre das fortes ligações químicas 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 e, por isso, retorna 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 muito facilmente de seus recipientes, como o gás hidrogênio. Além de extremamente resistente, o grafeno é muito leve: sua densidade é de 0,77 g/ m², 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 virtude da estrutura hexagonal das ligações de carbono, os elétrons deslocam-se no interior dessas finas camadas em velocidades relativísticas, próximas à velocidade da luz.

Em temperatura ambiente, a resistividade elétrica do grafeno é a mais baixa que conhecemos, cerca de 10-6 Ω.m, menor que a resistividade da prata, o melhor condutor metálico conhecido.

Propriedades ópticas

Apesar de ser uma camada de carbonos com altura de um único átomo, o grafeno é visível a olho nu, já que permite a passagem de 97% a 98 % da luz incidente. Esse comportamento óptico surge das propriedades relativísticas dos elétrons no grafeno. Isso implica que, ao amontoarem-se 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 eletrônicas, 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 4125 K, cerca de 3851° C.

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Quem descobriu o grafeno?

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

Qual é o preço do grafeno?

O preço do grafeno ainda é elevado em virtude de seus complexos meios de obtenção. 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, cerca de 12,9 cm², 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.

Outra forma de obtenção do grafeno é a partir da grafite: com 1 kg de grafite, que custa em torno de 1 dólar, é possível produzir até 150 g de grafeno, cujo valor supera os 15 mil dólares¹.

Onde encontramos o grafeno?

Apesar de ser um alótropo do carbono, como a grafite e o diamante, o grafeno não é encontrado na natureza em sua configuração bidimensional, isto é, contendo apenas um átomo de altura.

Na forma bidimensional, o grafeno tem sua estabilidade química drasticamente reduzida, apesar de adquirir propriedades físicas e químicas que o tornam ótimo condutor de calor e de corrente elétrica e o material mais resistente conhecido. Dessa forma, na natureza, é privilegiada a ocorrência do grafeno de multicamada, que é bem menos interessante para aplicações tecnológicas.

Qual é a composição do grafeno?

O grafeno é composto por átomos de carbono ligados em estruturas cristalinas hexagonais por meio de ligações sp2. Essas ligações repetem-se ao longo de um plano bidimensional, com somente um átomo de altura.

O que se pode fazer com o grafeno?

O grafeno é um dos materiais mais promissores conhecidos. Suas aplicações tecnológicas são vastas e limitam-se à capacidade de produção desse material em grandes escalas. Dispositivos como telas de LED dobráveis, células fotovoltaicas (painéis solares), telas sensíveis ao toque mais resistentes, transistores mais eficientes, supercapacitores, dissipadores de calor e superbaterias de celular são alguns exemplos de tecnologias possíveis por meio da aplicação do grafeno. Recentemente, um aluno da University State of California, mostrou que, submetendo-se um disco de grafeno a uma carga elétrica durante dois segundos, é possível manter aceso um LED por até 5 minutos.

Grafeno no Brasil

O Brasil encontra-se na corrida tecnológica em busca da obtenção de métodos mais baratos e eficientes para a produção de grafeno. Segundo relatório produzido em 2012 pelo Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM), em poucos anos, 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 detém as maiores reservas de grafeno do mundo.

Apesar de ter a altura de um átomo, a camada de grafeno é visível a olho nu em virtude de efeitos relativísticos que surgem em sua estrutura.
Apesar de ter a altura de um átomo, a camada de grafeno é visível a olho nu em virtude de efeitos relativísticos que surgem em sua estrutura.
Publicado por: Rafael Helerbrock

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