Grafeno e Materiais 2D – quais as aplicações?

Publicado por Materiais Júnior em agosto 26, 2021

Os materiais bidimensionais, ou apenas materiais 2D, são uma categoria de materiais recente que pretende revolucionar várias áreas da tecnologia. Eles são formados apenas por camadas únicas de átomos em uma das dimensões, o que garante a eles diversas propriedades distintas.

O primeiro material 2D descoberto foi o grafeno, de forma acidental em 2004 pelos físicos russos André Geim e Konstantin Novoselov, o que garantiu aos pesquisadores o prêmio Nobel de Física em 2010.

Outro material com grande capacidade de inovação e que vem sendo estudado por pesquisadores brasileiros é o fósforo negro. Suas propriedades de semicondutor pode ser mais um dos adventos tecnológicos que estão por vir no mundo. Esse material apresenta uma estrutura sanfonada, garantindo a ele uma característica chamada anisotropia, pela qual suas propriedades físicas variam de acordo com a direção ou angulação dos cristais de fósforo. O material apresenta um grande futuro em aplicações eletrônicas e optoeletrônicas.

Grafeno

O grafeno é um dos materiais mais interessantes e versáteis. Sua estrutura é de uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma configuração hexagonal, que possibilita um conjunto de propriedades únicas e extraordinárias. Além de ser o material mais fino, forte e leve conhecido, o grafeno é flexível, impermeável a diversas moléculas e um ótimo condutor elétrico e térmico.

Enquanto o mundo se esforça para manter seu ritmo de inovação, o grafeno tem muito a oferecer. Ele está ajudando a facilitar a próxima geração de tecnologia. Por exemplo, sua natureza forte e flexível possibilita visores de celulares e baterias flexíveis. Sua excelente capacidade de detecção pode ser usada na próxima geração de eletrônicos e no desenvolvimento de produtos para a ‘Internet das Coisas’.

Propriedades Mecânicas do Grafeno

O grafeno é o material mais resistente já conhecido, tamanha resistência decorre das fortes ligações químicas formadas entre seus átomos de carbono. Ele é cerca de 200 vezes mais resistente que materiais largamente utilizados na construção civil, como o aço.

Propriedades Elétricas

Em virtude da estrutura hexagonal das ligações de carbono, os elétrons deslocam-se no interior dessas finas camadas em velocidades relativísticas, ou seja, próximas à velocidade da luz.

Em temperatura ambiente, a resistividade elétrica do grafeno é a mais baixa conhecida, menor que a da prata – o melhor condutor metálico que conhecemos. Isso o torna o material mais condutor do mundo.

Propriedades Ópticas

O grafeno é praticamente invisível a olho nu, já que permite a passagem de 97% a 98 % da luz incidente. 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 também é um excelente condutor térmico. Esse material é capaz de dissipar calor mais rápido que qualquer outro conhecido. Sua condutividade térmica é 10 vezes superior à do cobre.

Além disso, alguns estudos sugerem que sua temperatura de fusão seja de 4125 K, cerca de 3851° C.

Como o grafeno pode ser aplicado?

Sensores

À medida que a sociedade ultrapassa os limites de suas capacidades sensoriais, o grafeno tem um grande papel a desempenhar. Sua grande área superficial, alta condutividade elétrica, propriedades ópticas exclusivas e alta condutividade térmica o torna ideal para a utilização em sensores.

Sensores ultrassensíveis à base de grafeno também podem ser menores, mais leves e mais baratos do que os sensores tradicionais. Podem ser usados ​​de várias maneiras diferentes, desde sensores químicos de contaminação de gases, pH e ambiente, até sensores de pressão e deformação.

A compatibilidade biológica do grafeno também faz com que ele seja aplicado em sensores biológicos capazes de detectar moléculas como o DNA e muitos analitos diferentes, como glicose, glutamato, colesterol, hemoglobina.

Os sensores de grafeno podem melhorar nossas vidas, desde a criação de embalagens inteligentes de alimentos que podem monitorar a adequação dos alimentos para consumo humano, até sensores vestíveis que podem monitorar a saúde em tempo real.

Energia

Com a expansão da população, a demanda por produção e armazenamento de energia aumenta constantemente. O grafeno com sua grande condutividade elétrica, natureza leve, estabilidade química e alta flexibilidade mecânica, pode atender à essa demanda na geração e armazenamento de energia.
Células solares, baterias, super capacitores, armazenamento de hidrogênio e células de combustível são todas as áreas em que esse material pode fazer a diferença. Eles podem ser usados ​​para produzir dispositivos novos e únicos, ou integrar-se aos dispositivos atuais para aumentar seu desempenho.

Por exemplo, o grafeno ativado permite produzir super capacitores para armazenamento de energia e também aumenta sua vida útil, capacidade de armazenamento de carga e velocidade de carregamento para baterias de íons de lítio. Para geração de energia, pode ser usado ​​para prolongar a vida útil de células solares.

O grafeno pode ser utilização em aplicações de geração e armazenamento de energia. Fonte

Compósitos

A próxima geração de compósitos e revestimentos pode ser aprimorada pelo grafeno, suas propriedades são úteis para uma ampla gama de aplicações, desde revestimentos antiestáticos e anticorrosivos até compostos ultra fortes e leves.

O grafeno pode não apenas melhorar o desempenho dos materiais atuais, mas também possibilitar novos campos de aplicação.

Tecnologias Biomédicas

Com o envelhecimento da população, a demanda por serviços de saúde continua a aumentar. Com isso, novas inovações são necessárias. Essas soluções devem ser mais eficazes, custar menos, prevenir e curar doenças e devem ser igualmente eficazes em todo o mundo. O grafeno está abrindo caminho para novos diagnósticos e tratamentos graças às suas propriedades exclusivas, como alta área de superfície, mobilidade de elétrons e potencial de funcionalização – tudo favorável a tecnologias biomédicas.

Por exemplo, a área de superfície do grafeno é uma excelente plataforma para a administração de medicamentos, enquanto sua condutividade gera biossensores eficientes. 

A capacidade do grafeno de ser transformado em andaimes, mantendo a condutividade inerente, pode ser utilizada na engenharia de tecidos. 

Novas pesquisas mostraram que o grafeno pode ser incorporado a um polímero para produzir sensores eletromecânicos muito sensíveis, além de poder ser usado para fazer implantes cerebrais profundos aprimorados. 

Eletrônicos

Como a indústria de eletrônicos se esforça para manter seu ritmo de inovação – o grafeno, sendo flexível, forte, fino e altamente condutor – tem muito a contribuir. Ele pode ajudar a facilitar a próxima geração de tecnologia, desde chips e interconexões para troca de dados até telas flexíveis para tecnologias “vestíveis”, como smartwatchs.

Como a miniaturização é um dos principais fatores impulsionadores da indústria eletrônica, a espessura do grafeno associada à sua alta condutividade à temperatura ambiente mostra um futuro promissor.

Dispositivos eletrônicos como smartwatches podem ter seu desempenho melhorado com a utilização de grafeno nos sistemas eletrônicos. Fonte

Fotônica e Optoeletrônica

As propriedades do grafeno o tornam ideal para sistemas optoeletrônicos e de comunicações ópticas. Suas excelentes propriedades elétricas e de absorção são altamente adequadas para dispositivos optoeletrônicos de alto desempenho, podendo ser facilmente integrados aos sistemas fotônicos de silício. Além disso, sua flexibilidade, robustez e estabilidade têm o potencial de permitir dispositivos completamente novos.

As tecnologias baseadas em grafeno estão se revelando parte integrante da nova geração de comunicações, como o 5G – permitindo sistemas de comunicação óptica de alto desempenho por meio de dispositivos optoeletrônicos ultrarrápidos e compactos.

Fica claro que o grafeno possui um enorme potencial para transformar tecnologias já presentes no nosso cotidiano e trazer ainda mais inovação! Resta agora que os estudos sobre esse incrível material, bem como outros materiais 2D, avancem e permitam que sua aplicação seja mais viável.