O grafeno é uma forma cristalina bidimensional do carbono, reconhecido como o material mais fino do mundo. Consiste em uma única camada de átomos de carbono organizados em uma estrutura hexagonal, com uma espessura equivalente à de um átomo. Este material pode ser obtido pela extração de camadas superficiais do grafite, um dos alótropos mais comuns do carbono e abundantemente encontrado na Terra.
O grafeno estável e bidimensional foi descoberto acidentalmente em 2004 pelos físicos russos André Geim e Konstantin Novoselov. Essa descoberta garantiu aos pesquisadores, em 2010, o Prêmio Nobel de Física. Apesar disso, a existência deste alótropo do carbono já era conhecida desde 1930.
As ligações químicas entre os átomos de carbono conferem ao grafeno propriedades físicas excepcionais, como resistência mecânica extraordinária, altas condutividades térmica e elétrica, além de ser praticamente transparente e flexível. Essas características fazem do grafeno um dos materiais mais promissores para uma ampla gama de aplicações tecnológicas.
O potencial do grafeno é impulsionado pela sua capacidade de revolucionar áreas como eletrônica, materiais compósitos, sensores biomédicos e armazenamento de energia, entre outras. Suas propriedades únicas continuam a atrair intensa pesquisa e desenvolvimento, indicando um futuro promissor onde o grafeno pode desempenhar um papel central na próxima geração de tecnologias avançadas.
ESTRUTURAS E PROPRIEDADES DO GRAFENO
A estrutura do grafeno consiste em uma monocamada plana de átomos de carbono com um elétron livre em cada orbital p, fazendo com que o grafeno se torne um material muito importante para diversas aplicações e, isso é devido à esta monocamada ser organizada em células hexagonais com átomos hibridizados na forma .
Outrossim, o grafeno pode ser sintetizado de algumas formas distintas, dentre elas cabe citar a rota de esfoliação química (Figura 1) elaborada por Rodney S. Ruoff em 2006, na qual se utiliza do método de Hummer em que grafite é disperso em uma solução composta de ácido sulfúrico concentrado, nitrato de sódio e permanganato de potássio a 45ºC por duas horas, o óxido de grafite resultante possui radicais hidroxila e carboxila anexados, o que aumenta sua hidrofilicidade e permite a dispersão do grafite em camadas individuais devido à intercalação das moléculas de água entre as camadas. Uma vez separadas, as camadas dispersas passam pelo processo de redução através de tratamento térmico ou com agentes redutores, de modo a eliminar os radicais anexados e restabelecer a rede grafítica característica do grafeno.
Figura 1: Modelo de um processo de esfoliação química para obtenção do grafeno.
Fonte: Repositório Institucional.
Essa estrutura singular proporciona ao grafeno diversas propriedades excepcionais, como alta condutividade elétrica e térmica, transparência, resistência mecânica, flexibilidade inerente e uma enorme área superficial específica. Antes de sua descoberta, o grafeno era visto como um material puramente teórico, usado apenas para explicar a formação das outras formas alotrópicas do carbono, conforme ilustrado na Figura 2, pois acreditava-se que sua estrutura não seria estável.
Figura 2: Formas alotrópicas carbono.
Fonte: Revista eletrônica de materiais e processos.
Na Figura 2 acima, vale salientar que temos o grafeno como um material de construção 2D para materiais de carbono de todas as outras dimensionalidades, podendo ser embrulhado para formar fulerenos, enrolado para formar nanotubos ou empilhado para formar grafite.
Ademais, a superfície sem defeitos ou altamente cristalina do grafeno aparenta ser quimicamente inerte, visto que seu estado puro normalmente interage com outras moléculas através de adsorção física (interações π-π). Para tornar a superfície do grafeno mais reativa, defeitos ou grupos funcionais de superfície são geralmente introduzidos. Por exemplo, a dopagem química com átomos como B (boro) e N (nitrogênio) e a introdução de grupos funcionais, como carboxila, carbonila e amina, pode ajustar as propriedades de superfície e as propriedades eletrônicas do grafeno.
De outra forma, o grafeno possui propriedades notáveis que o tornam promissor em diversas aplicações, incluindo materiais polímero-compósito, fotoeletrônicos, transistores de efeito de campo, sistemas eletromecânicos, sensores e sondas, armazenamento de hidrogênio e sistemas de energia eletroquímica, visto que referente às propriedades ópticas, o grafeno é quase totalmente transparente, absorvendo apenas 2,3% da luz. Essas propriedades ópticas estão intimamente ligadas às suas características eletrônicas e à sua estrutura eletrônica de baixa energia, resultando em um comportamento que permite a sintonia de propriedades ópticas ultrarrápidas. Assim, todas essas características fazem do grafeno um material versátil, aplicável em áreas que vão desde materiais poliméricos e sensores até transistores, dispositivos eletrônicos portáteis e sistemas de armazenamento de energia eletroquímica.
APLICAÇÕES E EXPLICAÇÃO DETALHADA
O grafeno, uma camada única de átomos de carbono dispostos em um padrão hexagonal, tem se destacado como um material revolucionário devido às suas propriedades físicas e químicas excepcionais. Extremamente leve, flexível e mais forte do que o aço, o grafeno também possui uma condutividade elétrica e térmica extraordinária. Essas características fazem do grafeno um material versátil com um vasto leque de aplicações potenciais. A seguir, discutiremos algumas aplicações desse composto:
- Dessalinização e Purificação da Água com Membranas de Grafeno
As membranas de grafeno, especialmente quando modificadas para criar nanoporos controlados, exibem propriedades excepcionais para a filtragem de água. A estrutura bidimensional do grafeno permite a formação de uma barreira ultrafina que pode ser manipulada em nível atômico para otimizar a permeabilidade seletiva. A dessalinização via grafeno baseia-se na capacidade das membranas porosas de grafeno de reter íons de sal enquanto permitem a passagem de moléculas de água. Este processo é significativamente mais eficiente em termos de energia comparado aos métodos tradicionais como a osmose reversa. A filtragem ocorre por meio de um processo chamado peneiração molecular, onde os poros são dimensionados para permitir a passagem de moléculas de água (aproximadamente 0.275 nm de diâmetro), enquanto bloqueiam íons de sal (diâmetro hidratado superior a 0.7 nm).
O uso de grafeno na dessalinização tem potencial para revolucionar o acesso à água potável, especialmente em regiões áridas e costeiras onde a escassez de água doce é crítica. Além disso, as membranas de grafeno podem ser aplicadas em sistemas de purificação de água, removendo contaminantes como metais pesados, microrganismos e compostos orgânicos, proporcionando uma fonte segura de água potável a partir de diversas fontes.
- Redução das Emissões de CO2 com Filtros de Grafeno
Os filtros de grafeno se aproveitam das características únicas do material, como alta superfície específica, estabilidade química e propriedades adsorventes excepcionais. A modificação da superfície do grafeno com grupos funcionais pode aumentar sua afinidade por moléculas específicas, como o CO2.
Os filtros de grafeno funcionam através de um processo de adsorção, onde as moléculas de CO2 são atraídas e retidas na superfície do grafeno. A separação de gases é facilitada pela seletividade dos poros no grafeno e pelas interações químicas entre as moléculas de CO2 e os grupos funcionais do grafeno. Esses filtros podem ser integrados em sistemas industriais para capturar e armazenar CO2, ou convertê-los em compostos úteis, como combustíveis sintéticos.
A aplicação de filtros de grafeno na redução das emissões de CO2 oferece uma solução promissora para combater as mudanças climáticas. Indústrias de alto impacto ambiental, como a de energia e manufatura, podem incorporar essa tecnologia para reduzir sua pegada de carbono. Além disso, a eficiência energética dos processos de captura e conversão de CO2 pode ser melhorada, proporcionando uma alternativa econômica e ambientalmente viável aos métodos convencionais.
- Detecção de Doenças com Sensores Biomédicos de Grafeno
Os sensores biomédicos à base de grafeno se destacam pela sua alta sensibilidade e capacidade de detecção em nível molecular. A alta condutividade elétrica do grafeno, aliada à sua grande superfície específica, permite a construção de dispositivos capazes de detectar mudanças mínimas em sua superfície.
A detecção de doenças e toxinas é realizada através da funcionalização do grafeno com biomoléculas específicas, como anticorpos, DNA ou proteínas, que interagem seletivamente com os alvos de interesse. Quando essas interações ocorrem, há uma alteração nas propriedades elétricas do grafeno, que pode ser medida e relacionada com a presença e concentração dos agentes detectados.
Os sensores de grafeno oferecem uma ferramenta poderosa para o diagnóstico precoce de doenças, incluindo viroses, câncer e outras condições patológicas. Sua rapidez e precisão podem facilitar a detecção em tempo real, proporcionando intervenções médicas mais eficientes e personalizadas. Além disso, a portabilidade desses dispositivos permite seu uso em áreas remotas ou com infraestrutura médica limitada, ampliando o alcance dos cuidados de saúde.
- Aplicações em Baterias
O grafeno apresenta mobilidade eletrônica até cem vezes maior que às do silício, motivo pelo qual o tornou altamente valorizado na indústria eletrônica. Este material é ideal para transistores em filmes de cobre e eletrodos transparentes em células solares e cristais líquidos, além de ser um material de baixo custo comparado a OIE e nanotubos de carbono.
No campo das baterias de íons de lítio, o grafeno supera o grafite, que é tradicionalmente usado como ânodo. O grafeno oferece taxas de carga e descarga mais rápidas e uma capacidade de armazenamento de lítio superior a 600 mAh/g, em contraste com os 372 mAh/g do grafite. Veículos experimentais com baterias de grafeno podem atingir até 500 km por carga, com uma vida útil quatro vezes maior e um peso significativamente reduzido em comparação com as baterias convencionais. Isso se deve à capacidade do grafeno de acomodar íons de lítio em ambos os lados de sua folha atômica única.
Além das baterias, o grafeno também melhora a troca iônica e a eficiência de armazenamento e difusão de portadores de carga, resultando em excelente desempenho catalítico. Sua aplicação na geração de hidrogênio limpo é promissora, especialmente quando combinado com platina, formando uma estrutura compósita grafeno-Pt que demonstra excelente durabilidade. A compatibilidade do grafeno com vários eletrólitos, além de sua capacidade de formar filmes finos, reforça seu potencial como um material versátil e inovador para futuras tecnologias
CONCLUSÃO
O grafeno, com suas propriedades físicas excepcionais e estrutura singular, surge como um material revolucionário com aplicações potenciais em diversas áreas tecnológicas. Desde a purificação da água até a melhoria das baterias de íons de lítio, suas capacidades de resistência, condutividade e flexibilidade prometem transformar indústrias e promover avanços significativos. À medida que a pesquisa avança, o grafeno continuará a desempenhar um papel crucial no desenvolvimento de soluções inovadoras, consolidando-se como um elemento essencial para o futuro da tecnologia.
REFERÊNCIAS
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