Grafeno

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GRAFENO
Sumário
Histórico
O que é?
Propriedades do Grafeno
Processos de obtenção do Grafeno
Comparação entre métodos
Aplicações do Grafeno
Importância para o Brasil
Histórico
Estudado deste o século passado, inicialmente era considerado um material puramente teórico, usado apenas para explicar a formação de outras estruturas de carbono, pois acreditava-se que sua estrutura não seria estável.
Histórico
Em 2004, dois pesquisadores da universidade de Manchester, Andre Geim e Konstantin Novoselov, conseguiram extrair o grafeno de um amostra de grafite utilizando a técnica de esfoliação mecânica. Em 2010 ganharam o prêmio Nobel de física.
O que é?
Quimicamente consiste em uma folha plana de átomos de carbono em ligação sp² densamente compactados e com espessura de apenas um átomo, reunidos em uma estrutura cristalina hexagonal.
O carbono é o elemento da coluna 4ª da tabela periódica, possuindo 6 elétrons, sendo que 2 estão fortemente ligados ao núcleo e os outros 4 estão na camada de valência.
O que é?
Na forma elementar os elétrons ocupam orbitais 2s, 2px, 2py e 2pz. 
Os orbitais atômicos, além de representarem o nível de energia de determinado elétron, também representam a maior probabilidade onde podemos encontrar um elétron. Temos orbitais do tipo S, P, D e F.
- As orbitais do tipo S, é o orbital de mais baixa energia e tem representação esférica.
- Já o orbital do tipo P tem a sua densidade eletrônica concentrada em duas regiões ao redor do núcleo, na forma de halteres.
- Nos orbitais D e F já começamos a ter representação no formato de trevo de quatro folhas para orbitais D e representações cada vez mais complicadas para orbitais F.
Orbitais Atômicos
Ao se ligarem a outros átomos de carbono, formam-se estruturas de carbono com novos orbitais, chamados híbridos (processo de hibridização). 
Essa hibridização pode ocorrer de três formas:
- Hibridização sp: o orbital s se combina apenas com um orbital p, formando dois orbitais sp.
- Hibridização sp²: o orbital s se combina com dois orbitais p (px e py), formando três orbitais sp2 no plano xy.
- Hibridização sp³: o orbital s se combina com três orbitais p (px, py e pz), formando quatro orbitais no plano xyz.
O que é?
O Grafeno é um material do tipo sp2, ou seja, seus átomos de carbono são ligados entre si por uma estrutura sp2, dessa forma se apresenta em apenas duas dimensões.
O termo grafeno se refere a uma única camada de átomos de carbono, porém, comercialmente, pode ser usado para representar uma família de materiais formados por mais folhas de grafeno empilhadas de forma organizada.
O que é?
Essa estrutura eletrônica do grafeno traduz as seguintes propriedades:
Resistência mecânica 200 vezes superior à do aço
Mobilidade eletrônica que é 100 vezes superior à do silício 
Alta condutividade elétrica
Material leve
Transparência quase total, absorve apenas 2,3 % da luz
Possui um módulo de Young extremamente elevado (1 Tpa)
Alta condutividade térmica (5000 W/m.K) (a do cobre é de 400 W/m.K)
Elevada área superficial (2600 m2/g), muito maior que a do grafite e nanotubos de carbono
Propriedades do Grafeno
A alta mobilidade eletrônica se deve ao fato de termos apenas uma única camada de material, o que resulta em uma pequena massa efetiva. Portanto os elétrons em uma única camada de grafeno comportam-se como partículas “sem massa”, deslocando-se a uma velocidade de aproximadamente 106 m/s.
Propriedades do Grafeno
Processos de obtenção do grafeno
Notamos que o grafeno é um material de estrutura simples e com ótimas propriedades físicas, mas sua obtenção ainda precisa ser aprimorada. Atualmente, as barreiras principais que impedem a exploração do grafeno está ligada às poucas formas de sintetizar o material de forma econômica.
Dentre as várias técnicas de obtenção do grafeno destacam-se duas: o bottom-up, que se baseia na manipulação de átomos simples de carbono, como o metano e etanol. E o top-down, que consiste na separação das camadas empilhadas a partir do grafite.
Dentre essas técnicas existem quatro processos principais para se obter o grafeno:
Esfoliação mecânica e química se destacam dentro da técnica de top-down.
Crescimento do grafeno em SiC e deposição química em fase Vapor (CVD) se destacam dentro da técnica de bottom-up.
Processos de obtenção do grafeno
1 –Crescimento de grafeno em SiC
Se resume a obter grafeno através de uma superfície de carbeto de silício (SiC). A amostra de SiC é colocada em um forno à uma pressão atmosférica em um ambiente contendo argônio. O forno é aquecido até temperaturas variando de 1500 °C e 2000 °C que provoca a sublimação do silício do substrato. Dessa forma o carbono fica depositado sobre a superfície do SiC se reorganizando para formar o grafeno.
Processos de obtenção do grafeno
2 – Método CVD
Obtém o grafeno pela deposição química na fase vapor em substratos de cobre.
O cobre, por ter pouca afinidade com o carbono, forma ligações fracas na superfície, o que torna a região propícia para o crescimento do grafeno. 
Primeiramente é feito um tratamento térmico na superfície do cobre aplicando-se gases de argônio e hidrogênio para aumentar os grãos do cobre e deixar a superfície mais uniforme.
Após o tratamento térmico um gás é colocado no forno CVD, geralmente gás metano, acetileno, benzeno, etc. Esse gás é degradado a altas temperaturas e baixa pressão aderindo ao cobre (metal catalisador), dessa forma há o crescimento da folha de grafeno, logo após o forno é resfriado para a retirada do grafeno.
Processos de obtenção do grafeno
Processos de obtenção do grafeno
O processo CVD se mostra viável para a produção em larga escala visto que o preço de obtenção do cobre é relativamente baixo, porém uma desvantagem está no tamanho da folha de grafeno que fica limitada ao tamanho da superfície do cobre.
Outra desvantagem é na qualidade de condução elétrica, devido a baixa interação do grafeno com o cobre, os pontos de nucleação do grafeno não apresentam uma orientação única, o que provoca um espalhamento dos elétrons na superfície e consequentemente menor desempenho em relação à condutividade elétrica se comparada com outros métodos de obtenção do grafeno.
Processos de obtenção do grafeno
3 – Esfoliação química
Consiste na oxidação do grafite por ação de agentes oxidantes fortes como cloreto de potássio e ácidos nítricos e sulfúricos. O material resultante desse processo é chamado de grafite intercalado, a partir daí é necessário submeter o grafite a uma esfoliação com auxílio de ultrassom que irá separar as camadas do grafite, gerando o grafeno.
O uso dessa técnica é amplamente estudada devido ao baixo custo e a possibilidade de produção em larga escala, porém a ação dos oxidantes causa defeitos na estrutura do grafeno, logo o material resultante pode não ter as melhores qualidades elétricas, porém pode ser usado para a fabricação de polímeros e outros materiais compósitos.
Processos de obtenção do grafeno
4 – Esfoliação mecânica
Consiste em aplicar uma fita adesiva em um grafite altamente orientado (HOPG), retirar a fita contendo o grafite e colocar em cima de um substrato de óxido de silício (SiO2), a folha de grafeno irá se aderir ao substrato pois tem uma maior afinidade maior do que o próprio grafeno, esse procedimento é realizado em escala microscópica.
Processos de obtenção do grafeno
Esse processo também pode ser realizado na forma de descamação do grafite, assim vamos aplicando a fita adesiva repetidas vezes até sobrar uma última camada de grafeno que fica aderida a superfície de óxido de silício.
Para eliminar os vestígios de cola do grafeno é utilizado uma câmara aquecida contendo argônio e hidrogênio.
Esse método produz um grafeno com perfeita cristalinidade e com poucos defeitos em sua estrutura, o problema desse método é que não produz uma quantidade eficaz para ser usada comercialmente, pois as camadas de grafeno produzidas são da ordem de 10 micrometros, portanto é um método puramente laboratorial.
Comparação entre métodosAplicações do grafeno
- Materiais resistentes e flexíveis
O grafeno apresenta uma resistência a tração em torno de 200 vezes maior que a do aço, essa característica amplia a possibilidade do uso em materiais compósitos, principalmente com polímeros. 
A aplicação de pequenas quantidades de grafeno (de 0,01 % até 5% em massa) em materiais poliméricos leva ao aumento da condutividade, resistência mecânica e química, e melhora suas qualidades térmicas.
Também permite o desenvolvimento de dispositivos flexíveis, leves e com boa resistência.
Aplicações do grafeno
- Transistores
Tem aplicações em componentes eletrônicos como transistores de efeito de campo, devido a suas características de alta condutividade elétrica e mobilidade eletrônica.
Pode ser usado também em transistores de radiofrequência contribuindo para o avança das comunicações sem fio, visto que com o uso do grafeno os transistores poderão operar com frequências mais elevadas
Em 2010, uma equipe da Universidade da Califórnia, construiu um transistor com grafeno com frequência de operação de até 10 Ghz. (os rádios convencionais operam na faixa de 20 Mhz).
Aplicações do grafeno
- Supercapacitores e Baterias
Supercapacitores são dispositivos feitos para armazenar e liberar energia de forma rápida e reversivelmente, geralmente possuem alta densidade de energia e elevada densidade de potência (103 – 105 W/Kg), além de ciclo de vida ultralongo (> 100.000 ciclos).
Aplicações do grafeno
O uso do grafeno para Supercapacitores permite aumentar de 20 a 30% a capacitância desses dispositivos. O fato do grafeno possuir alta área superficial possibilita uma maior capacidade de armazenamento de íons dos eletrólitos, consequentemente, podemos ter baterias de maior capacidade e de tamanhos menores e mais leves com o uso do grafeno. 
A Samsung comunicou que esta em desenvolvimento um celular que possuiu a bateria feita de grafeno, com isso esse aparelho teria 45% mais bateria que os modelos atuais e teria sua carga 100 % carregada em 30 minutos, além de suportar mais ciclos de carregamento, segundo a próprio Samsung, a estimativa dessa aparelho chegar no mercado é entre 2020 e 2021.
Aplicações do grafeno
- Células fotovoltaicas
Outra área que vem tendo destaque é a de energia. O grafeno atua como material para a camada transportadora de elétrons em células solares orgânicas e flexíveis , aumentando o rendimento destes dispositivos.
A confecção de painéis flexíveis também seria possível com a utilização de grafeno, o que facilitaria a instalação dos sistemas fotovoltaicos em locais menos acessíveis.
Aplicações do grafeno
- Membrana filtrante
A utilização do grafeno permite criar uma membrana ultrafina que funciona como uma peneira a nível atômico, permitindo passar praticamente todos os solventes, como a exemplo da água, e filtrando as partículas menores. Logo seria possível realizar a filtragem da água do mar para torná-la potável ou separar até mesmo água de uma mistura de gases.
Se misturado com tinta, o grafeno atua como impermeabilizante, podendo ser aplicado em latarias de carro ou navios, prevenindo o local de oxidações.
Aplicações do grafeno
- Biossensores
A implementação do grafeno como biossensor também tem sido amplamente estudada, pois as propriedades condutoras do grafeno, combinados com a transparentes fazem dele um material bastante favorável para detecção eletroquímica. 
Podendo ser aplicado em biossensores para detecção de glicose, maltose, frutose, dopamina, aminoácidos, o que facilitaria bastante o diagnóstico e tratamento de doenças.
Aplicações do grafeno
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Importância para o Brasil
O maior desafio em relação ao grafeno é seu processo de sintetização, atualmente o valor de 150g de grafeno custa 15 000 dólares, já sintetizar 1 kg de grafite natural custa em média 1 dólar. Portanto devido a sua versatilidade, podendo ser usado tanto na tecnologia por ser um leve e bom condutor quanto na química agindo como elemento filtrante, estima-se que em 10 anos a comercialização do grafeno gire em torno de 1 trilhão de dólares.
O Brasil possui 45 % de toda a reserva de grafite natural do mundo, e está investindo em estudos para o desenvolvimento do grafeno. O Brasil possui um centro de pesquisa localizado no interior da universidade Mackenzie em São Paulo (MackGraphe) , com orçamento avaliado em 100 milhões de reais.
FIM