Métodos de Produção

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO OESTE DA BAHIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
MÉTODOS DE PRODUÇÃO DO GRAFENO
Ueidson Ramon Lira Bomfim (2023006724) 
Mateus Felipe da Costa Paixão (2020011918) 
Herberton de Lima Damaceno Pereira (2023001245)
 Murilo Neri do Sacramento Santos(2022004135)
Antônio Endler Guimarães (20220041)
BOM JESUS DA LAPA -BA
2024
SUMÁRIO
1.	INTRODUÇÃO	3
2.	TIPOS DE PRODUÇÃO	5
2.1	Esfoliação Micromecânica	5
2.2	Esfoliação Química	6
2.3	Deposiação Química em Vapor	7
2.4	Método Epitaxial em Sic	9
3.	CONCLUSÃO	10
4.	REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	11
1. INTRODUÇÃO
O grafeno, material extremamente leve, fino e resistente, apresenta propriedades mecânicas e elétricas excepcionais, superando até mesmo o diamante em durabilidade e permitindo a condução eficiente de eletricidade. Como tecnologia disruptiva, ele possibilita avanços significativos em diversos setores, desde nanotecnologia até componentes eletrônicos de alta capacidade, baterias de recarga rápida e tecidos inteligentes.
Para atender a essas demandas tecnológicas, diferentes métodos de produção do grafeno foram desenvolvidos, cada um com suas particularidades e adequações a diferentes aplicações. Entre eles, a Exfoliação Mecânica se destaca por produzir amostras de grafeno de alta qualidade, embora limitada em escala. A Deposição Química em Vapor (CVD) é amplamente utilizada para a produção em larga escala, oferecendo um equilíbrio entre custo e qualidade. A Esfoliação Líquida e a Redução Química do Óxido de Grafeno são métodos que permitem a obtenção de grafeno em massa, com variações na qualidade do material final. Métodos mais especializados, como a Epitaxia em Carbetos de Silício (SiC) e o Método de Corte Químico, embora mais complexos, proporcionam grafeno de alta pureza e características específicas, adequados para aplicações avançadas, como em eletrônica de alta performance. Cada um desses métodos contribui de forma única para a expansão do uso do grafeno em tecnologias emergentes, reforçando seu papel como um material-chave para o futuro da engenharia e da ciência dos materiais.
O Grafeno consiste de uma estrutura em 2d de átomos de carbono ligados em formato de hexágono chamados de favo de mel como mostra na Figura 1. Seu formato é considerado um bloco básico para construção de outros arranjos. Na Figura 2 são apresentadas três estruturas da família dos alótropos do carbono tendo como suas bases de construção o grafeno: O fulereno apresentando um formato esférico; os nanotubos, em formato cilíndrico; e o grafite, com sua estrutura formada por um amontoado de estruturas bidimensionais do grafeno.
Figura 1- Estrutura do grafeno, favo de mel.
Fonte: Golçalves,2013.
Figura 2- Representção de alótropos do carbono.
Fonte: Oswaldocruz.br
2. TIPOS DE PRODUÇÃO
2.1 Esfoliação Micromecânica
A esfoliação mecânica do grafeno, um método pioneiro e amplamente conhecido, exige um ambiente limpo e utiliza um substrato de silício oxidado (Si/SiO2), fita adesiva, pinças e flocos de grafite. O procedimento começa com a fixação dos flocos de grafite na fita adesiva, que é dobrada em ângulos de 45º e puxada cautelosamente várias vezes para promover a esfoliação do grafite. A amostra é então transferida para o substrato de Si/SiO2 e pressionada por 10 minutos para eliminar vestígios de ar entre o grafeno e o substrato. Este método, que foi utilizado para isolar o grafeno pela primeira vez em 2004, garante uma alta cristalinidade do grafeno sem o uso de equipamentos intrusivos.
Apesar da alta qualidade do grafeno produzido, o processo é manual e resulta em flocos de apenas 100 µm², o que limita sua viabilidade em larga escala. A detecção do grafeno é facilitada por microscopia óptica, que revela um contraste entre o substrato e o grafeno: folhas de grafeno monocamada aparecem quase transparentes com um tom azulado, enquanto amostras mais espessas exibem tons amarelados como pode ser observado na Figura 3. Apesar de suas limitações em escala, a esfoliação mecânica continua sendo preferida em pesquisas devido à excelente qualidade do grafeno que produz.
Figure 3- Grafeno esfoliado.
Fonte: Oswaldocruz.br
Para eliminar os vestígios de cola de adesivo do grafeno é utilizado uma câmara aquecida contendo argônio e hidrogênio. Esse método não produz uma quantidade eficaz comercialmente, ultilizada apenas para estudar o método. 
2.2 Esfoliação Química
O método de esfoliação química na fase líquida do grafite envolve a redução das interações de empilhamento π-π entre as camadas de grafeno. Para isso, reagentes são inseridos entre as camadas para enfraquecer essas interações. No entanto, a produção de gases em alta pressão durante o processo pode interromper o consumo desses reagentes e degradar a estrutura do grafeno de sp² para sp²-sp³. Esse método é versátil e usa agentes químicos como cloreto de potássio, ácido nítrico e ácido sulfúrico, que são facilmente obtidos e permitem a produção em larga escala.
Por outro lado, a esfoliação química utiliza grafite para obter grafeno reduzindo continuamente as forças de Van der Waals entre os planos atômicos do grafite. Isso é feito através da inserção de espécies químicas que intercalam entre as camadas de grafite. Podendo ser o bservado na Figura 4 o processo químico. 
Figura 4- Processo de esfoliação.
Fonte: Castro,2011
Após a intercalação, a estrutura do grafite é expandida, geralmente por choque térmico, o que dilata as camadas e enfraquece ainda mais as forças entre elas. Finalmente, o grafite expandido é esfoliado usando sonicação, que aplica ondas sonoras (ultrassom) para ajudar a separar as camadas de grafeno.
2.3 Deposiação Química em Vapor
O método de Deposição Química na Fase Vapor (CVD) é uma técnica amplamente utilizada para a produção de grafeno em substratos metálicos, como o cobre. Devido à sua baixa afinidade com o carbono e à estabilidade de sua configuração eletrônica, o cobre é um material ideal para o crescimento de grafeno em sua superfície. O processo CVD começa com um tratamento térmico do substrato de cobre, no qual são aplicados gases como argônio e hidrogênio. Esse tratamento aumenta os grãos do cobre, resultando em uma superfície mais uniforme e adequada para a deposição de grafeno.
Após o tratamento térmico, um gás rico em carbono, como metano, acetileno, ou benzeno, é introduzido no forno CVD. Em condições de alta temperatura e baixa pressão, o gás se decompõe, e os átomos de carbono se aderem ao substrato de cobre, promovendo o crescimento de uma camada de grafeno. Uma vez que o grafeno é formado, o forno é resfriado, e a folha de grafeno é retirada.
Além do cobre, outros metais de transição, como o níquel, também são utilizados como substratos no processo CVD. Esses metais atuam como catalisadores, decompõem as moléculas de carbono e promovem a formação de estruturas grafíticas. A solubilidade do carbono nesses metais varia, o que afeta os mecanismos de crescimento do grafeno. No caso do níquel, que possui uma solubilidade intermediária, o crescimento do grafeno ocorre por difusão do carbono através do catalisador. Já no cobre, que tem uma baixa solubilidade para o carbono, o crescimento do grafeno se dá exclusivamente na superfície do metal. Conforme pode-se ver na Figura 5 e um esquema mais detalhado na Figura 6.
Figura 5- Esquema de CVD
Fonte: Barcelos, 2010
Embora o processo CVD seja considerado viável para a produção em larga escala, devido ao seu custo relativamente baixo, ele apresenta algumas limitações. O tamanho da folha de grafeno é restrito pelo tamanho do substrato de cobre, e a qualidade do transporte elétrico no grafeno produzido pode ser inferior àquela obtida por outros métodos, como a esfoliação de grafite. Isso ocorre porque os pontos de nucleação do grafeno no cobre não possuem uma orientação única, o que pode resultar em um espalhamento dos elétrons e, consequentemente, em um transporte elétrico de menor qualidade. 
Figura 6- Esquema detlhado CVD.
Fonte: American Chemical Society,2016.
2.4Método Epitaxial em Sic
O método que apresenta os melhores resultados é o crescimento sob pressão atmosférica. Nesse processo, a amostra de SiC é colocada em um forno sob pressão atmosférica em um ambiente com argônio. O forno é aquecido a temperaturas entre 1500ºC e 2000ºC, resultando na sublimação do silício do substrato, conforme ilustrado na Figura 7. O carbono remanescente se deposita na superfície do SiC, onde se reorganiza para formar as monocamadas de grafeno.
Figura 7- Carbono alinhando ao Sic sublimado.
Fonte: Oswaldocru.br
Esse método apresenta bons resultados de produção do grafeno, mas os custos para realizar em grande escala deixa adesejar. 
3. conclusão
Os processos de obtenção do grafeno ainda enfrentam desafios que dificultam sua produção em larga escala, como a necessidade de altas temperaturas e pressões, o elevado custo de reagentes orgânicos complexos e o uso de equipamentos avançados para análise e síntese. No entanto, alguns métodos, como a deposição química a vapor (CVD), que possui um custo relativamente baixo, e o crescimento epitaxial de grafite em SiC, que permite a produção de grafeno de alta qualidade em grandes quantidades, têm mostrado melhorias na síntese do material.
A esfoliação mecânica, por ser um processo manual que utiliza apenas fitas adesivas para extrair grafeno do grafite, não requer equipamentos sofisticados, mas sua aplicação em larga escala é limitada. Apesar disso, esse método é capaz de produzir grafeno com alta pureza, o que é vantajoso em termos de qualidade, embora o custo-benefício geral seja desfavorável devido à ineficiência do processo manual.
A esfoliação química, por outro lado, oferece maior potencial para produção em larga escala, uma vez que utiliza processos químicos em vez de manuais, tornando-se uma alternativa viável. No entanto, a qualidade do grafeno obtido é moderada, pois o método utilizado nesse processo, pode introduzir defeitos na estrutura do grafeno ao adicionar grupos funcionais em sua superfície. Ainda assim, o custo-benefício do processo é considerado bom, apesar do uso de agentes tóxicos e altas temperaturas, o que o torna menos favorável em termos de segurança e controle ambiental.
4. Referências bibliográficas
SILVA, João. Pesquisadores da UCS desenvolvem método para produção de grafeno. Universidade de Caxias do Sul, 15 mar. 2023. Disponível em: . Acesso em: 22 ago. 2024.
OLIVEIRA, Ana; SILVA, João. Esfoliação mecânica necessária para o controle de poeira. Revista SEPA, v. 12, n. 1, 2023. Disponível em: http://revistas.unifacs.br/index.php/sepa/article/download/4855/3292. Acesso em: 22 ago. 2024.
ALENCAR, Eduardo. Título do artigo. Revista Acadêmica, v. 16, 2023. Disponível em: https://oswaldocruz.br/revista_academica/content/pdf/Edicao_16_ALENCAR_Eduardo.pdf. Acesso em: 22 ago. 2024.
SMITH, John. Production Methods of Van der Waals Heterostructures. Nova York: Universidade de Tecnologia, 2023. 
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