Grafeno Aplicações Tecnológicas (1)

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VI SECEB – SEMINÁRIO DE ENGENHARIA CLÍNICA E ENGENHARIA BIOMÉDICA 
INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES – INATEL 
ISSN 2358-338X 
SETEMBRO DE 2017 
 
Abstract—Graphene is today one of the most studied 
nanomaterials in the world today, because it has excellent 
thermal, optical and electrical properties. Graphene is the basis of 
the entire carbon family except diamond. Its production is still 
very leading, so, several methods of research are being carried 
out, such as improving production methods and lowering the cost 
of production. Several companies worldwide are researching the 
best use for graphene in their products. IBM has created the first 
chip of graphene nanotubes that in the first tests will be able to 
increase the speed of the present silicon chips in 100 times and 
once they are in production they can reach a speed of up to 1000 
times of the current silicon chips. Not only is IBM engaged in 
making graphene the technology of the future, there are tech 
giants like Samsung who are trying to develop graphene 
commercially to lower production costs. LG aims to make 
graphene screens much tougher than those used today and much 
sharper. In Brazil there are already several patents in the CNPq 
database, UFMG has a department dedicated to the development 
and studies of graphene. Thus we have several groups active in 
the research and development of graphene around the world. 
Index Terms—graphene, carbon nanotubes, patents 
 
Resumo— Atualmente o grafeno é o nanomaterial mais 
estudado no mundo pelo fato de possuir excelentes 
propriedades térmicas, ópticas e elétricas. O custo de sua 
produção ainda é muito elevada, sendo assim, diversas 
pesquisas estão sendo realizadas para aumentar a eficácia e 
diminuir os custos da produção. Várias são as empresas 
investindo em pesquisa para a melhor utilização do grafeno. 
Entre elas podemos citar a IBM que criou os primeiros chips 
de nanotubos de grafeno que poderão ser até 100 vezes mais 
velozes que seus chips atuais constituídos de silício. O grafeno 
também vem sendo estudado no Brasil, onde já é possível se 
encontrar diversas patentes no banco de dados da CNPq. A 
UFMG tem um departamento voltado para o desenvolvimento 
e estudo do grafeno. Assim temos vários grupos atuantes na 
pesquisa e desenvolvimento do grafeno ao redor do mundo. 
Palavras chave—grafeno, nanotubos de carbono, patentes 
I. INTRODUÇÃO 
A nanotecnologia vem revolucionando o mundo cientifico e 
tecnológico nos últimos 20 anos [1]. O estudo da 
nanotecnologia compreende o desenvolvimento e construção 
de estruturas a partir dos átomos. Com as tecnologias atuais 
temos diversas ferramentas e técnicas disponíveis para 
amplificar 
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de 
Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado 
de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica e Engenharia Clínica 
Orientador: Prof. Jefferson Davis Pena Cária. Trabalho aprovado em 05/2017. 
a capacidade de manipular átomos e moléculas nas amplificar 
amplificar quantidades e combinações desejadas, tais como 
microscopia eletrônica de alta resolução e a espectroscopia e 
espalhamento da luz visível [2]. 
Na área de engenharia de materiais, as nanoestruturas de 
carbono tem tido um papel significativo, devido à diversidade 
de suas formas estruturais e propriedades em aplicações tais 
como aditivos de materiais cerâmicos plásticos e têxtil, 
biossensores para diagnósticos ou marcadores fluorescentes, 
além de dispositivos eletrônicos [3][4]. O grafeno, alótropo do 
carbono recentemente isolado é considerado o bloco de 
construção básico para as nanoestruturas de carbono, com 
exceção do diamante. Uma folha de grafeno manipulada de 
formas diferentes pode transformar-se em outras formas de 
carbono [5]. 
O termo “grafeno” não é novo e foi usado pela primeira vez 
em 1987, mas a definição oficial foi dada pela International 
Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) em 1994. Em 
2004, pesquisadores conseguiram isolar pequenos fragmentos 
esfoliados a partir do grafite e após analises de caracterização 
verificaram que se tratava de uma estrutura de uma única 
camada átomos de carbono [6]. O grafeno é o elemento 
estrutural mais básico de alguns alótropos do carbono e, por 
este motivo, a sua estrutura é considerada a mãe de outras 
formas alotrópicas do carbono, como se mostra na Figura 1 
[7]. 
 
 
Figura 1. (a) Grafeno, (b) fulereno, (c) nanotubo, (d) grafte [7]. 
 
Na Figura 1, temos: (a) Grafeno, um material 2-D que serve 
de estrutura básica para alótropos de carbono em todas as 
dimensões. Pode (b) formar um fulereno, (c) ser enrolado na 
forma de um nanotubo ou (d) ser empilhado formando a 
grafite [7]. 
Grafeno - Aplicações Tecnológicas 
Jorge Eustáquio da Silva & Jefferson Davis Pena Cária 
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SETEMBRO DE 2017 
 
O grafeno consiste numa rede bidimensional constituída por 
uma estrutura hexagonal de átomos de carbono com 
hibridização sp2, ligados e dispostos em um retículo 
bidimensional. A rede pode ser vista como composta de dois 
subretículos interpenetrados em forma triangular, sendo a 
distância entre esses retículos igual a 3,35Å e em que as 
distâncias C-C são aproximadamente 1,42Å [2], conforme a 
Figura 2, com uma espessura de um átomo de carbono 
(aproximadamente 1 Angstrom = 10-8 cm). 
 
 
Figura 2- Distância entre retículos e átomos de carbono C-C 
 
Cada átomo tem um orbital no plano s e dois no plano p, 
que contribuem para a estabilidade mecânica da folha de 
carbono. Os orbitais p restantes, perpendiculares e orientados 
para o plano molecular, cruzam-se para formar as bandas 
condução e de valência, que causam os fenômenos de 
condução planar [2]. 
Para obter este material, o grupo liderado por Andre Geim, 
da Universidade de Manchester (Reino Unido), recorreu a um 
procedimento aparentemente simples, usando uma fita adesiva 
convencional, um lápis e aplicando um processo de exfoliação 
mecânica. 
II. NANOTUBOS DE CARBONO 
Os nanotubos de carbono são nanoestruturas únicas, com 
propriedades eletrônicas e mecânicas notáveis, algumas 
decorrentes da sua estreita relação com o grafeno, outras do 
seu aspecto unidimensional. Do ponto de vista estrutural, os 
nanotubos de carbono dividem-se em nanotubos de carbono de 
parede simples (single-walled carbon nanotubes - SWCNTs), 
que podem ser considerados como uma única folha de grafeno 
enrolada sobre si mesma para formar um tubo cilíndrico, e os 
nanotubos de carbono de paredes múltiplas (multi-walled 
carbon nanotubes - MWCNTs), que consistem num conjunto 
de nanotubos concêntricos estabilizados por forças de van der 
Waals [8][9]. O carbono sp2 pode encontrar-se em várias 
formas como mostrado na figura 3 [10]. 
 
 
Figura 3 – Modelos moleculares dos diferentes tipos de nanoestruturas de 
carbono hibridizado sp2 em 0-D, 1-D, 2-D e 3-D: (a) fulerenos (C60), (b) 
nanocebolas, (c) nanotubos de carbono, (d) nanocones, (e) nanotoroides, (f) 
grafeno, (g) cristais de grafite 3D, (h) superfície Haeckelite, (i) nanofitas de 
grafeno, (j) clusters de grafeno, (k) nanotubos de carbono helicoidal, (l) 
cadeias curtas de carbono, (m) cristais Schwarzite 3D, (n) nano-espuma de 
carbono, (o) rede de nanotubos 3D e (p) rede de nanoftas 2D. 
III. PROPRIEDADES DO GRAEENO 
O grafeno não só é o material mais fino e resistente de todos 
os materiais que são conhecidos, como também é considerado 
mais forte do que o diamante, sendo, além disso, muitoflexível e extremamente duro. Suas propriedades eletrônicas 
são únicas e tem o aspecto mais intrigante deste material. Isto 
se deve ao fato dos portadores de carga no grafeno serem 
descritos como férmion de Dirac, sem massa, e como 
mobilidade excepcionalmente elevada, possibilitando a 
observação de fenômenos quânticos em temperatura ambiente 
[7]. Além de conduzir corrente elétrica em temperatura 
ambiente melhor que qualquer outro material, também 
transparente, absorvendo apenas 2,3% da luz que incide sobre 
ele [11]. Parte da transparência ocorre quando estamos perante 
o material que tem apenas um átomo de espessura, como ser 
observado na figura 4. É a combinação de tais propriedades, 
como alta resistência, a flexibilidade e o potencial para 
modificações químicas, que torna o grafeno o material mais 
explorado e estudado no mundo atualmente. 
 
 
Figura 4 - Fotografia de grafeno usado num ensaio de transmitância. Este 
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cristal de espessura monoatómica pode ser visto a olho nu porque absorve 
apenas 2,3% de luz branca [11]. 
IV. MÉTODOS DE OBTENÇÃO DE GRAFENO 
Fabricar folhas monoatômicas de carbono nunca foi uma 
tarefa fácil. Os pesquisadores Andre Geim e Konstantin 
Novoselov, ambos da Universidade de Manchester no Reino 
Unido, que ganharam o prêmio Nobel de física em 2010 pelos 
seus trabalhos com grafeno, fabricavam suas primeiras amostra 
colocando uma fita adesiva sobre um bloco de carvão e 
puxando-a de volta. 
Nina Kovtyukhova e seus colegas da Universidade da 
Pensilvânia, nos Estados Unidos, conseguiram agora substituir 
o método físico da fita adesiva por um método químico. 
Kovtyukhova descobriu como fazer com que ácidos especiais, 
conhecidos como ácidos de Bronsted, se imiscuíssem entre as 
camadas empilhadas do grafite e as separassem, produzindo 
folhas perfeitas de grafeno, sem qualquer contaminante [12]. 
Este método, conhecido como intercalação, é conhecido há 
bastante tempo, mas toda a literatura científica dizia que só era 
possível fazê-lo usando agentes oxidantes ou redutores, o que 
danifica o grafeno, mudando inteiramente suas características. 
A nova técnica elimina a necessidade desses agentes, com as 
moléculas ou íons do ácido inserindo-se entre as camadas de 
carbono do grafite e separando-as em estado puro. 
O método de intercalação parece ser versátil e aplicável a 
outros materiais monoatômicos. Grande parte do grafeno 
usado nos experimentos é feita pelo método da fita adesiva, 
avanços mais recentes já apontam rumo à produção industrial 
do grafeno [12]. 
V. APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS DO GRAFENO 
A elevada condutividade elétrica, combinada com sua alta 
resistência, flexibilidade e transparência, torna o grafeno o 
material ideal para aplicações em dispositivos eletrônicos que 
sejam flexíveis, além de já está sendo demonstrado que podem 
ser fabricadas telas sensíveis com este material [13]. Devido 
ao elevado movimento dos elétrons, o grafeno também é ideal 
para a construção de transistores de alta frequência para 
aplicações da eletrônica [14]. Esses componentes poderão ser 
essenciais para a criação de chips ultrarrápidos, tornando os 
componentes eletrônicos atuais até cem vezes mais rápidos. 
Com todas essas características tornam o grafeno um elemento 
com potencial para revolucionar a tecnologia como a 
conhecemos. Temos várias áreas que o grafeno irá afetar 
diretamente: 
1 - Telecomunicações: Grafeno pode tornar conexões até 100 
vezes mais rápidas que as conexões que conhecemos hoje, 
segundo pesquisas realizadas por cientistas do Departamento 
de Fisica da Universidade de Bath, na Inglaterra. 
 Os cientistas publicaram um artigo de Physical Review 
Letters, demostrando pela primeira vez taxas de respostas 
extremamente curtas utilizando o grafeno, o que poderá abrir 
caminho para uma verdadeira revolução nas telecomunicações. 
Atualmente as informações são transmitidas e processadas 
através de dispositivos optoeletrônicos, como fibra óptica e 
laser. Os sinais são enviados por fótons com comprimentos de 
ondas infravermelhos, e processados por switches ópticos, que 
convertem os sinais em uma série de impulso de luz [17]. 
 Os switches respondem a uma taxa de alguns picosegundos 
– que equivale à trilhonésima parte de um segundo, 10-12 do 
segundo. Os cientistas da Universidade de Bath constataram 
que a taxa de resposta é cerca de 100 vezes maiores que a dos 
materiais utilizados atualmente [17]. 
2 – Eletrônica: Os chips semicondutores de eletrônica 
produzidos até o momento são feitos de silício e tem um limite 
de operação de 5 GHz, mas com as pesquisa feitas na área de 
eletrônica com o grafeno, este limite pode saltar para até 1000 
vezes a operação de chips feito produzidos com silício. A IBM 
anunciou que foram realizados testes com transistores de 
nanotubos de carbono feito de grafeno, estes transistores de 
nanotubos são uma alternativa promissora porque em 
tamanhos muito pequenos são mais eficientes que os silícios 
[18]. 
3 – Energética: A bateria de íons de lítio (LIB) é considerada 
uma das mais eficientes para se alimentar equipamentos 
eletrônicos portáteis devido à sua alta tensão, alta densidade de 
energia, ciclo de vida longo e boa compatibilidade ambiental. 
No entanto com o desenvolvimento de dispositivos 
eletrônicos, especialmente em veículos elétricos, existem 
demanda continua para bateiras com inserção e excitação de 
Li+ nos eletrodos durante os processos de carga e descarga. 
Assim, o desempenho de uma LIB depende fortemente das 
estruturas e propriedades dos seus eletrodos [19]. 
 O material anôdico utilizado nestas baterias é geralmente 
grafite, que apresenta limitações na capacidade especifica [20]. 
Uma alternativa para contornar estes problemas seria um 
material como uma área superficial maior, que resultaria em 
um dispositivo com maior capacidade de armazenamento de 
íons de lítio. Além de apresentar essa característica superior ao 
grafite, o grafeno também tem vantagens de melhores 
propriedades eletrônicas, térmicas e condutoras. Diversos 
trabalhos relatam as vantagens do uso do grafeno ou 
nanocompósitos de grafeno como material de eletrodo em 
baterias de íons lítio exibindo uma maior capacidade 
reversível e um desempenho cíclico muito melhor quando 
comparados a eletrodos de grafite [21] [22] [23]. 
4 – Medicina: O grafeno é uma grande promessa para o uso 
em vários tipos de dispositivos biomédicos, muito dos quais 
são relevantes para as condições de tratamentos realizados por 
neurocirurgiões. Algumas pesquisas de primeira linha estão 
sendo feitas para explorar as potenciais capacidades e usos dos 
grafeno. 
Como o desenvolvimento continua, metamateriais baseados 
em grafeno poderiam contribuir para avanços em várias áreas 
de neurocirurgia, incluindo: 
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Tratamento de Câncer - nanoparticulas de grafeno podem 
desempenhar um papel na geração de imagens segmentadas 
do tumor, como possíveis novas abordagens terapêuticas 
que envolvem fototérmica ou terapias de estimulação 
elétrica [24]. 
Neurorregeneração - materiais de grafeno podem ser 
utilizados em novas estratégias para regeneração de tecidos 
do sistema nervoso para estimular o crescimento de nervos 
periféricos lesionados [24]. 
Neurocirurgia Funcional – melhores sistemas de vigilância 
eletrofisiológicos podemajudar na realização de cirurgias 
cerebrais em pacientes como doenças como a epilepsia [24]. 
Cirurgia da Coluna Vertebral – hardware baseado em 
grafeno de alta resistência pode representar a próxima 
geração de instrumentação para cirurgia de coluna vertebral 
[24] 
5 - Meio Ambiente: Diversas aplicações são utilizadas nos 
processos de purificação e descontaminação de águas (filtros e 
membranas) [25], ou como foto e eletro catalisador para 
oxidação de contaminantes vem sendo reportados [26]. 
6 – Imagens: Cientistas da Nanyang Technological 
University, em Singapura, usaram a sensibilidade à luz do 
grafeno para criar um sensor para câmeras 10 vezes melhor 
que os atuais [16]. Por capturar e armazenar os elétrons 
gerados pela luz por muito mais tempo que a maioria dos 
sensores, o sensor de grafeno consegue imagens muito mais 
claras com muito menos luz. O sensor também pode detectar 
infravermelhos, além do espectro visível. Ele também tem 
potencial para ser utilizado em qualquer tipo de câmera 
incluindo as de infravermelho, radares e imagens de satélite, 
estes são alguns exemplos. 
VI. CONCLUSÕES 
O grafeno está revolucionando o mundo da nanotecnologia 
por ser um material com propriedades elétricas e mecânicas 
excelentes. Ele substituirá o silício e dará a tecnologia atual 
um grande salto, aumentado sua velocidade e precisão. 
Por ser um material de custo de produção elevado, o grafeno 
terá um bom caminho a trilhar até está disponível 
comercialmente em grande escala. Empresas como Samsung, 
IBM, LG, GE estão trabalhando na pesquisa do grafeno para 
construir chips mais velozes e eficientes, telas resistentes e 
flexíveis, transmissão de dados mais rápidos e eficientes, 
baterias mais eficientes e carregamento quase que instantâneo, 
e facilidades na área biomédica. 
O Brasil pode se beneficiar com o desenvolvimento de novas 
tecnologias utilizando-se do grafeno, pois possui umas das 
maiores reservas de grafite do mundo. Sabendo deste potencial 
a Universidade Presbiteriana Mackenzie construiu um prédio 
voltado somente para a pesquisa do grafeno no Brasil, e 
chamou este projeto de Mackghafe, - Centro de Pesquisas 
Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias. 
Este projeto conta com vários parceiros como UFMG, UFPR 
USP, UNICAMP, CNpD, LNNano, PUC-RIO, Imperial 
College London, e muitos outros. 
A comunidade cientifica de estudo do grafeno está muito 
otimista para que este material esteja sendo produzido em 
larga escala em menos de uma década. 
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Jorge Eustáquio da Silva nasceu em Conselheiro Lafaiete, MG, em 12 de 
janeiro de 1970. Recebeu o título de Engenheiro Eletricista pelo Centro de 
Ensino Superior de Conselheiro Lafaiete – CES-CL em 2009.Desde fevereiro 
de 2013 é professor da Escola Técnica “Os Padres do Trabalho”, onde atua na 
área de eletrônica e telecomunicações. 
 
Jefferson Davis Pena Cária nasceu em Amparo do Serra, MG, em janeiro de 
1976. Possui graduação em Engenharia Elétrica, modalidade Eletrônica, 
ênfase em Telecomunicações (2002), curso de Suplementação e Pós 
graduação em Engenharia Clínica/Biomédica pelo Instituto Nacionalde 
Telecomunicações – INATEL de Santa Rita do Sapucaí – MG. Pós-Graduado 
em Qualidade e Produtividade pela Universidade Federal de Itajubá, e em 
Qualidade Hospitalar pela Escola de Saúde Pública de Minas Gerais – 
ESP/MG. Mestre em Ciências e Técnicas Nucleares, título obtido em junho 
de 2010, pelo Departamento de Engenharia Nuclear da Universidade Federal 
de Minas Gerais. Foi Engenheiro Clínico do Hospital das Clínicas da 
Universidade Federal de Minas Gerais, de 01/2006 a 10/2014, atuando nos 
processos de especificação para a aquisição de equipamentos médicos, 
coordenação e gestão da manutenção de seu parque tecnológico e no 
desenvolvimento de treinamento aos usuários técnicos. Foi participante dos 
grupos focados no processo de Acreditação Hospitalar do HC/UFMG (ONA e 
JCI) e coordenador do grupo Gerenciamento e segurança da instalação (FMS). 
Atualmente coordena o setor de Engenharia Clínica do Hospital 
Metropolitano Dr. Célio de Castro (HMDCC) em Belo Horizonte-MG, onde 
desenvolve trabalhos na implantação da engenharia clínica e gestão da 
manutenção neste hospital além de participar das discussões definições 
pertinentes a adequação tecnológica e de infraestrutura hospitalar. Leciona no 
curso de Pós-Graduação em Engenharia Clínica/Biomédica do Instituto 
Nacional de telecomunicações (INATEL). Leciona na Faculdade Pitágoras e 
na Faculdade UNI-BH nos cursos de Engenharia Elétrica, Engenharia de 
Automação Industrial, Engenharia Mecânica e Ciências da Computação. 
Lecionou na Universidade Fumec no curso de Engenharia Biomédica e na 
Faculdade Anhanguera de Belo Horizonte nos Cursos Superiores de 
Tecnologia em Mecatrônica Industrial e de Tecnologia em Eletrotécnica 
Industrial.