Grafeno e suas aplicações

Publicado por Materiais Júnior em outubro 10, 2019outubro 10, 2019

Muito se fala acerca do grafeno, esse material revolucionário que graças a uma combinação de características que incluem a leveza, flexibilidade, condutividade e resistência, é capaz de dar propriedades quase mágicas a objetos de todos os tipos.

O grafeno é um dos materiais mais interessantes e versáteis. É o primeiro material bidimensional do mundo, com uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonal que possui um conjunto de propriedades únicas e extraordinárias. Além de ser o material mais fino, forte e leve conhecido, o grafeno é flexível, impermeável a 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.

O grafeno estável e bidimensional foi descoberto acidentalmente em 2004 pelos físicos russos André Geim e Konstantin Novoselov, o que garantiu aos pesquisadores o prêmio Nobel de Física em 2010.

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, 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 visível 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 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.

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 tornam ideal para sensores.

Sensores ultrassensíveis à base de grafeno também podem ser menores, mais leves e mais baratos que os sensores tradicionais, esses 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 o vê sendo usado 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

À medida que a população global se expande, 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, têm um papel fundamental a desempenhar para atender a 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.

• 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 oferecer. 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.

• 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

À medida que a demanda por serviços de saúde continua a aumentar, aumenta também a demanda por novas soluções nessa área. 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 e a condutividade gera biossensores eficazes. 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 e que pode ser usado para fazer implantes cerebrais profundos aprimorados. 

• Fotônica e Optoeletrônica

As propriedades do grafeno o tornam ideal para sistemas optoeletrônicos e de comunicações ópticas. Suas excelentes propriedades elétricas e absorção são altamente adequadas para dispositivos optoeletrônicos de alto desempenho e podem ser facilmente integradas 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.

Desde lasers e comutadores ópticos, até comunicação sem fio e captação de energia, o grafeno terá um papel importante no campo da optoeletrônica.

As maiores reservas mundiais de grafeno estão sob nosso território, indicando um mercado promissor para os brasileiros. Deseja mais informações sobre esse material? Entre em contato conosco.