Grafeno – o que é e para que serve?

Grafeno – o que é e de onde vem

O caráter inovador do grafeno reside principalmente em sua bidimensionalidade. Fisicamente, é uma camada de átomos de carbono simples dispostos em um padrão hexagonal que é visualmente semelhante a um favo de mel. O grafeno é, portanto, um alótropo do carbono. Na década de 1940, Phillip Russel Wallace desenvolveu o conceito teórico de criar uma estrutura de carbono de um único átomo. No entanto, essa ideia foi rejeitada pela maioria dos cientistas por muitos anos. Só seis décadas depois é que ele pode ser transformado em um material real e tangível. A dupla de Gejm e Nowosiolow, da Universidade de Manchester, conseguiu isolar o grafeno de um pedaço de grafite transferindo átomos de carbono para uma camada de dióxido de silício (SO ₂ ) usando uma fita adesiva. A sílica teve um papel importante nesse processo, isolando uma camada de grafeno com carga elétrica neutra. Atualmente, esse método é usado apenas em pequena escala para fins de pesquisa.

Propriedades incomuns do grafeno

O que há nessa camada ultrafina de átomos de carbono que fascinou o mundo científico? O grafeno provou ser um excelente condutor de calor e eletricidade. Também é caracterizada por baixa resistência ativa. Nesse aspecto, é concorrente do cobre e do silício. À temperatura ambiente, os elétrons do grafeno apresentam mobilidade sem precedentes em outros materiais. Sua alta velocidade atingindo 1/300 da velocidade da luz abre possibilidades interessantes para uso em diagnósticos. O grafeno também é quase transparente – absorve 2,3 %da luz branca. Portanto, seu potencial elétrico excepcional anda de mãos dadas com o óptico. Apesar de sua estrutura extremamente fina, o grafeno é até 100 vezes mais forte que o aço. Ao mesmo tempo, mantém um alto nível de flexibilidade (até 20 %de elasticidade em comprimento ou largura). Uma membrana de grafeno oxidado é completamente impermeável a gases, mas permeável à água, portanto, pode ser usada para filtração. As propriedades antimicrobianas do material também são dignas de nota.

Grafeno prospectivo – aplicações em vários setores

As propriedades eletrônicas, ópticas, térmicas e mecânicas do grafeno abriram as portas para suas muitas aplicações comerciais práticas que, segundo especialistas, se desenvolverão dinamicamente nas próximas décadas. Já hoje, o grafeno é considerado o sucessor do silício na área eletrônica. Este condutor transparente e flexível pode ser usado para fabricar células fotovoltaicas, telas roláveis e painéis de toque, bem como luzes LED. Também aumenta significativamente a frequência dos sinais eletromagnéticos, permitindo a produção de transistores mais rápidos. Sensores de grafeno também estão atraindo um interesse considerável. Graças à sensibilidade excepcional, eles podem detectar moléculas únicas de substâncias perigosas, facilitando o monitoramento do ambiente. O óxido de grafeno distribuído no ar também tem a capacidade de remover contaminantes radioativos. A perspectiva de desenvolver novos produtos com grafeno aumenta a cada ano As aplicações existentes com maior potencial incluem:

• redes elétricas modernas;
• fontes de luz energeticamente eficientes;
• semicondutores usados em dispositivos spintrônicos;
• revestimentos anticorrosivos mais eficazes;
• filtração de água para purificação e dessalinização;
• sistemas de comunicação optoeletrônicos.

Além disso, há especulações sobre o uso prospectivo do grafeno para a produção de componentes estruturais mais leves e duráveis para carros, aeronaves, navios e dispositivos. Em combinação com materiais artificiais (por exemplo, borracha), pode ser usado para criar, por exemplo, borracha termicamente condutora. Com base no grafeno, já foi desenvolvido um papel extremamente forte capaz de conduzir eletricidade.

Grafeno biocompatível – aplicações médicas

Destaca-se também a possibilidade de utilização do grafeno no campo da biomedicina, tanto na área diagnóstica quanto terapêutica. Como carreador de medicamentos, o óxido de grafeno é caracterizado por alta biocompatibilidade e excelente solubilidade. Isso permite a dosagem precisa de agentes anti-inflamatórios e anticancerígenos, bem como enzimas e substâncias minerais. Como o grafeno é um condutor de calor perfeito, também é usado para destruir tumores cancerígenos. O fenômeno da termolesão possibilita o uso do calor acumulado por ela para reduzir a dor nos tecidos. O trabalho já está em andamento na produção de acessórios e roupas médicas aquecidas. As folhas de grafeno também são usadas como biossensores e podem ajudar a diagnosticar câncer e doenças neurológicas (por exemplo, epilepsia ou doença de Parkinson) com dispositivos portáteis. Espera-se que a sonda de grafeno desenvolvida pelos poloneses revolucione os testes de ECG, permitindo medições do nível do coração. As propriedades antibacterianas do grafeno também oferecem uma oportunidade para resolver a crise relacionada à crescente insensibilidade das bactérias aos antibióticos. O grafeno pode ser utilizado como base para o desenvolvimento de agentes destinados ao controle de infecções tópicas e desinfecção de feridas. A possibilidade de usar grafeno na engenharia de tecidos parece muito promissora. A resistência mecânica do inovador andaime de carbono é extremamente alta. Estudos mostram que acelera a diferenciação de células-tronco e promove uma recuperação mais rápida.

Produção de grafeno

Desde 2014, o grafeno é produzido em maior escala para fins comerciais. Novas técnicas micromecânicas permitiram uma redução significativa do preço do material. Atualmente, seus principais produtores são os EUA e a China, onde podem ser encontradas quantidades significativas de grafite amorfa barata. Desejado na área de eletrônica, o grafeno premium deve ser produzido a partir de grafite de qualidade suficiente e isso requer cristais planos e ordenados adquiridos em processamento especial. O preço do material é então correspondentemente mais alto. Pesquisadores coreanos conseguiram desenvolver uma maneira eficiente e econômica de produzir grafeno por deposição de vapor químico (CVD). A desvantagem desta solução é a menor qualidade do material e maior frequência de defeitos. No entanto, em algumas aplicações, isso não representa um problema. Os pólos também contribuíram para o desenvolvimento de métodos inovadores de produção de grafeno. O Instituto de Tecnologia de Materiais Eletrônicos de Varsóvia detém uma patente para produzir o material a partir de carboneto de silício. Em 2015, pesquisadores da Universidade de Lodz, na Polônia, desenvolveram uma tecnologia HGSM inovadora que permite a produção de folhas de grande formato de alta qualidade a partir da fase líquida.

O grafeno é seguro?

Como um material relativamente novo, o grafeno levanta dúvidas compreensíveis no contexto dos possíveis efeitos na saúde humana. Existem até alegações de que a estrutura fina e leve do grafeno entra facilmente nos pulmões, representando uma ameaça comparável à poeira ou mesmo às fibras de amianto. Estudos chineses até sugerem que nanopartículas de carbono bidimensional podem se instalar em órgãos internos. Existe também um risco teórico de que o grafeno, ao entrar em águas superficiais e subterrâneas, possa ser prejudicial para plantas e animais. As partículas finas podem se depositar nas bordas dos corpos d’água e aumentar os níveis de dureza da água. No entanto, de acordo com o conhecimento atual, o grafeno não é tóxico e não possui afinidade por substâncias perigosas. Suas quantidades e, portanto, a exposição potencial, também são extremamente baixas ou até insignificantes. Em contato com a pele, não apresenta propriedades irritantes. Além disso, estudos internacionais mostram que a inalação não causa reações imunológicas adversas. Existe um consenso geral na comunidade científica sobre a necessidade de mais pesquisas sobre as propriedades e aplicações do grafeno, incluindo sua segurança. Isso permitirá otimizar os métodos de uso do material inovador com vistas a efeitos de longo prazo nos seres humanos e no meio ambiente.