Grafeno: O Material do Futuro

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Campus Universitário da Região dos Vinhedos 
Área do conhecimento de Ciências Exatas e engenharias. 
 
PROJETO FINAL 
 Grafeno 
Materiais Eletromagnéticos – 56-57 
Nome: 
Rogenio Copat 
rcopat2@ucs.br 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. O QUE É O GRAFENO 
 
O composto foi descoberto em 1947, pelo físico canadense Philip Russel Wallace, o primeiro a 
estudar de forma teórica sobre o material. Mas foi só em 1962 que ele se tornou realidade, através dos 
químicos Ulrich Hofmann e Hanns-Peter Boehm. Foi Boehm, inclusive quem o batizou, a partir da junção 
das palavras grafite e o sufixo eno, mas naquela época obter-se uma amostra desse material era 
considerado impossível ficando no anonimato por muitos anos. 
Apenas em 2004, na Universidade de Manchester, é que os estudos com o grafeno reiniciaram. A 
substância conta com estrutura atômica hexagonal, atributo esse que permite a ela oferecer máxima 
flexibilidade com extrema resistência. O composto veio à tona quando os pesquisadores universitários 
estavam em busca de uma substância bidimensional que servisse de alternativa ao uso do silício em 
semicondutores, os russos Andre Geim e Konstantin Novoselov extraíram grafeno dos fragmentos presos 
em uma fita adesiva que os cientistas usavam para limpar a superfície de um bloco de grafite, esta fita 
adesiva foi examinada em um microscópio atômico e testada, funcionou bem como transistores já na 
primeira tentativa, foram tornando-o cada vez mais fino a camada de grafeno até a espessura de um átomo 
e mesmo assim manteve suas propriedades intactas nem sua condutividade afetada, ganharam premio 
Nobel em 2010. Sendo os primeiros a produzir grafeno em laboratório, lecionam na Universidade de 
Manchester, que é conhecida pela comunidade científica com o “lar do grafeno”. 
 
Figura 1. Cientistas Andre Geim e Konstantin Novoselov com material utilizado no experimento. 
 
O grafeno é inteiramente feito de átomos de carbono em ligação sp2, densamente compactados e 
com espessura de apenas um átomo, reunidos em uma estrutura cristalina hexagonal, conforme a imagem 
a seguir: 
 
Figura 2. Representação da estrutura cristalina exagonal do grafeno. 
 
2. PROPRIEDADES 
 
O grafeno é o material mais forte, mais leve e fino que existe. Ele é o material mais condutivo do 
mundo, os elétrons se movem através do grafeno com praticamente nenhuma resistência e aparentemente 
sem massa, sendo capaz de conduzir eletricidade 100 vezes mais rápido que o cobre. 
O grafeno nos permite ver uma camada de átomos a olho nu, de acordo com a Universidade Rive, 
no Texas, mesmo sendo o material mais fino do mundo que existe, com apenas um átomo de espessura, 
ele continua sendo visível. Ele é incrivelmente transparente, absorvendo apenas 2,3%da luz, porem, se 
colocarmos em cima de uma folha de papel podemos vê-lo. 
Ele é 200 vezes mais forte do que o aço, apesar de fino e leve o grafeno é um material 
extremamente forte, sendo o elemento mais rígido que já se conheceu, superando até mesmo o diamante. 
Para se ter uma ideia, uma folha de grafeno de 1 metro quadrado pesa apenas 0,0077 gramas, sendo capaz 
de suportar peso de até 4kg. 
Flexibilidade, transparência e impermeabilidade em um só material. Mesmo sendo muito rígido, o 
grafeno é um material com grande elasticidade, se esticando ate 25% a mais do seu comprimento. 
Segundo o Dr. Ponomarenko, um dos pesquisadores desse material, o grafeno também é o material mais 
impermeável já descoberto, e mesmo os átomos de Helio não podem passar por ele. 
É um material bidimensional. Possui comprimento e largura como outros, porem sua espessura é de 
um átomo. 
 
Figura 3. Características do Grafeno. 
 
 
 
3. APLICAÇÕES 
Uma das principais produtoras de grafeno laminado em todo o mundo já usa o material para 
desenvolver células fotovoltaicas, telas táteis, eletrodos de baterias, dispositivos de eletrônica digital e 
analógica de alta frequência. 
Um destes produtos derivados que estão sendo desenvolvidos a partir do material é um novo tipo de 
cabo de transmissão. Os cientistas aproveitaram todo o potencial dos elétrons e potencializaram a 
velocidade de troca de dados a centenas de vezes acima do que existe atualmente. 
O grafeno também tem papel na indústria aeronáutica. Acredita-se que seja possível usar o grafeno 
como combustível para aviões atingirem maiores velocidades, com menor gasto de produto e poluição ao 
meio ambiente. 
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Geórgia, nos Estados Unidos, já desenvolveram 
também uma antena de grafeno, com a qual é possível transmitir, a um metro de distância, 128 GB (ou 1 
terabit) por segundo. Acredita-se que, a uma distância menor, os cientistas consigam transmitir cem vezes 
mais informações na mesma quantidade de tempo. 
Há também versões de baterias flexíveis e ultrarrápidas em desenvolvimento, que vão de encontro 
ao lançamento de gadgets dobráveis, como têm sugerido diversos fabricantes, como a Samsung. 
Existem ainda novas pesquisas com nanochips, fones de ouvidos, filtragem de água salgada, telas 
touchscreen e dispositivos biônicos, todos derivados do grafeno. Tais experimentos e estudos 
influenciaram a criação de um consórcio, que incentiva estudos e busca investidores, chamado Graphene 
Flagship Consortium. Este grupo conta com nove parceiros, entre eles a Nokia e a Universidade de 
Cambridge. 
A Samsung investe no desenvolvimento de antenas micrométricas com capacidade de transmitir a 
altas velocidades em distancias muito curtas; um estudo das universidades britânicas de Manchester e 
Cambridge afirma que o grafeno também pode ser utilizado como fotodetector em comunicação óptica de 
alta velocidade, podendo fazer uploads e downloads de um terabyte em apenas um segundo. 
Uma das aplicações mais recentes do grafeno foi a criação de supercapacitores que podem ser 
utilizados em baterias que carregam extremamente mais rápido que as convencionais. Em 2013, foi 
desenvolvido na Universidade da Califórnia uma bateria para celular que carregava em apenas 5 
segundos! Além disso, a carga durava mais de uma semana. 
Mas os avanços não se limitam apenas à eletrônica, pode revolucionar outros setores como 
automotivos, aeronáutica, naval, e até implantes para o corpo humano. 
O grafeno é o material mais impermeável já descoberto, sendo que nem mesmo os átomos de hélio 
conseguem passar por ele, por outro lado, o único material que consegue passar pelo grafeno é a água, 
com isso, esse material poderá ser utilizado em novas tecnologias de purificação de água. 
Um projeto da Universidade de Manchester já mostrou que é possível transformar a água do mar em 
água potável utilizando uma “peneira” de grafeno, capaz de remover o sal da água, futuramente, espera-se 
conseguir usar o material para fabricar filtros para separar mais rapidamente de duas a três vezes do que 
acontece com as dessalinizadoras atuais. 
 
 
Figura 4. Telas touchscreen flexíveis. 
 
4. PONTOS NEGATIVOS 
Estudos mostram que o grafeno pode ser tão frágil quanto uma cerâmica comum e ainda ser 
prejudicial ao meio ambiente. Uma equipe de cientistas da universidade Rice e do Instituto de Tecnologia 
da Geórgia realizaram testes em pequenos pedaços de grafeno utilizando duas folhas de carbono pura uma 
sobre a outra com um átomo de espessura, ao qual foram efetuadas pequenas rachaduras através de feixes 
de íons focalizados com o objetivo de analisar o quão rápido as rachaduras expandiriam até que o material 
se rompesse, descobriu-se que o material é 10 vezes mais propenso à ruptura do que o aço, ou seja, o 
grafeno é muito sensível à presença de rachaduras. 
Possui também uma tenacidade que pode sercomparada a cerâmica, devido a isso basta uma 
pequena rachadura para enfraquecê-lo por completo e, para produzi-lo, essas pequenas fissuras são uma 
consequência natural. Sabe-se que o grafeno perfeito pode aguentar cerca de 100 gigapascais de força 
antes de quebrar, o grafeno imperfeito pode suportar uma pequena fração disto, cerca de 4 megapascais. 
Descobriu-se que o grafeno não se decompõe facilmente em leitos e rios, sendo capaz de viajar 
longas distancias na correnteza, aumentando as chances de que a poluição por grafeno polua ainda mais 
os ecossistemas, embora não haja confirmação da poluição por grafeno não tenha tanta precisão. 
 
5. ESFERA DE DYSON 
A esfera de Dyson é uma megaestrutura hipotética que engloba completamente uma estrela e 
captura a maior parte ou toda a sua potência. O conceito foi descrito pela primeira vez por Olaf 
Stapledon, em sua novela de ficção científica Star Maker (1937), e mais tarde popularizado por Freeman 
Dyson no artigo “Pesquisa de Fontes Estelares Artificiais de Radiação Infravermelha” de 1960. 
 
Figura 5. Freeman Dyson (15 de dezembro de 1923). 
 
O conceito da esfera de Dyson era o resultado de um experimento do físico e matemático Freeman 
Dyson, quando teorizou que todas as civilizações tecnológicas aumentaram constantemente sua demanda 
para a energia ser fornecida em todos os sentidos. Ele argumentou que se a civilização humana 
expandisse as demandas de energia por tempo suficiente, chegaria um momento em que exigia a 
produção de energia total do Sol ou quase a energia total solar. Ele propôs um sistema de estruturas em 
órbita (que ele se referiu inicialmente como uma concha) sendo projetado para interceptar e coletar toda a 
energia produzida pelo Sol. A proposta de Dyson não detalhou como um sistema desse tipo seria 
construído, mas focado apenas em questões de coleta de energia, com base em que tal estrutura poderia 
ser distinguida pelo seu espectro de emissão incomum em comparação com uma estrela. Seu artigo de 
1960, “Pesquisa de Fontes Estelares Artificiais de Radiação Infra-Vermelha”, publicado na revista 
Science, é creditado como sendo o primeiro a formalizar o conceito da esfera de Dyson. 
 
Figura 6. Esfera de Dyson. 
Desde que o conceito desta megaestrutura foi inicialmente idealizado, a engenharia espacial tem 
apresentado diferentes propostas para a construção de uma estrutura artificial, ou de uma série de 
estruturas com o intuito de rodear uma estrela para capturar sua energia, porem as dificuldades técnicas 
para a execução do projeto relegaram a Esfera de Dyson à arena da ficção cientifica. 
Dyson também propôs a Árvore de Dyson, uma planta desenhada geneticamente para crescer num 
cometa, o objetivo imaginado era que a arvore transformaria o cometa numa estrutura oca com uma 
atmosfera respirável no seu interior, utilizando-se da luz do sol distante e material do cometa para crescer 
e produzir o oxigênio necessário, e assim poderiam ser criados habitats para a humanidade no sistema 
solar exterior. 
Em 1980, fazendo uso de um banco de dados resultado de uma varredura infravermelha do céu, 
uma equipe do Fermilab procurou pelas esferas de Dyson. Nada encontraram, a não ser alarmes falsos, 
compraram caro a ideia de Dyson. Evidentemente, não a ideia de construir uma esfera de Dyson, mas sim 
a de procurar um desses objetos no espaço. A quantidade aumentada de radiação infravermelha reemitida 
por uma esfera desse tipo, em razão da densidade do material, alteraria o espectro do sistema solar por 
espectroscopia, o que permitiria detectá-lo procurando por valores de variáveis que caracterizem 
‘atipicidade’. 
 No ano de 2015, após o telescópio espacial Kepler analisar a enorme oscilação da luminosidade da 
estrela KIC 8462852, da constelação de Cisne, astrônomos renomados passaram a considerar a hipótese 
de que seria uma estrutura similar a Esfera de Dyson estivesse causando este fenômeno. Em geral, as 
estrelas sofrem variações menores que 2% na sua luminosidade, normais e periódicas, mas a astrônoma 
Tabetha Boiajian (conhecida como Tabby) descobriu que a variação da luminosidade da estela KIC eram 
bem mais fortes chegando a 20%, não periódica, nenhuma das outras 500 estrelas analizadas na 
vizinhança apresenta comportamento similar. Porem essa estrela tem contestado alguns modelos teóricos 
dos cientistas na forma como ela deveria agir, seu brilho vem sofrendo variações insanas e aleatórias, em 
alguns duas pode cair 16%, depois passa 1500 dias com variações de menos de 3%. Um outro problema 
enfrentado com a analise dessa estrela é que, se fosse uma Esfera de Dyson, as placas coletoras que 
existiriam nessa estrela mesmo sendo de alta tecnologia não podem fugir das leis da física: teriam que 
sempre dissipar o calor gerado pela luz da estrela. Algumas hipóteses para tal situação argumentam que é 
possível concentrar esse calor ou transformá-lo em radiação eletromagnética de qualquer outra frequência 
sendo emitida em uma direção que não chega ao telescópio Kepler. 
Por enquanto todas as explicações naturais ou não estão na mesa, em maio de 2017 surgiram novas 
depressões na luminosidade da estrela KIC e as observações dos astrônomos se intensificaram. É possível 
que, em breve, tenhamos novidades mais consistentes. 
 
 
Figura 7. Hipóteses de Esferas de Dyson. 
 
 
Evidentemente o maior problema na construção da Esfera de Dyson seria coordenar a órbita de um 
numero tão colossal de estruturas ao redor da estrela, e uma mínima variação que fosse na distancia entre 
um dado ponto da superfície interna da esfera e o Sol, faria com que a gravidade da estrela atraísse a 
esfera, podendo acarretar um choque gigantesco. Claro, a hipótese de uma civilização capaz de manipular 
estrelas inteiras é remota e a possibilidade de ser o caso é ínfima, mas não é zero e isso é assustador. 
 
 
 
Referências - Fontes: 
 
 Grafeno, o material do futuro – Artigo Universidade Geraldo Di Biase – Leonardo Medeiros 
Lacerda. 
 https://tecnologia.ig.com.br/2018-04-01/conheca-o-grafeno.html 
 https://www.hipercultura.com/porque-o-grafeno-ira-mudar-nossas-vidas-pra-sempre/ 
 https://industriahoje.com.br/o-que-e-o-grafeno 
 https://www.techtudo.com.br/artigos/noticia/2013/04/entenda-o-que-e-grafeno-e-por-que-ele-
pode-revolucionar-os-eletronicos.html 
 https://koutroularis.wordpress.com/2018/04/25/a-esfera-de-dyson/ 
 https://meiobit.com/356484/kic-8462852-nova-teoria-sugere-que-variacoes-do-brilho-da-estrela-
tabby-seriam-efeito-de-mineracao-espacial/ 
 https://www.oarquivo.com.br/variedades/ciencia-e-tecnologia/2255-a-esfera-de-dyson.html 
 http://www.saoleopoldodiesel.com.br/entrega-de-oleo-diesel/como-uma-esfera-de-dyson-funciona-
teoria/ http://www.dicta.com.br/esferas-de-dyson/