Grafeno

O grafeno é um alótropo do carbono que foi descoberto por Andre Geim e Konstantin Novoselov em 2004. Essa descoberta revolucionou o campo da ciência dos materiais e rendeu o Prêmio Nobel de Física aos cientistas em 2010.

O grafeno apresenta uma estrutura bidimensional composta por átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal que lhe confere propriedades mecânicas, elétricas e térmicas excepcionais, colocando-o como um dos materiais mais promissores para aplicações tecnológicas e industriais.

As aplicações do grafeno abrangem desde eletrônicos de alta eficiência até dispositivos médicos, graças à sua flexibilidade, condutividade elétrica superior e biocompatibilidade. No campo da saúde, o grafeno tem potencial para revolucionar diagnósticos, tratamento de doenças e até mesmo a regeneração de tecidos.

O grafeno pode ser produzido via métodos químicos, físicos ou até de forma sintética com base no grafite. No entanto, questões como alto custo de produção e desafios ambientais relacionados ao descarte ainda limitam sua comercialização em larga escala.

Nesse cenário, o Brasil se destaca por apresentar abundância em grafite natural, matéria-prima essencial para a produção do grafeno. Pesquisas realizadas por instituições, como a Universidade de São Paulo (USP) e o Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), têm impulsionado a produção e aplicações do grafeno em território nacional, com perspectivas promissoras para sua incorporação em indústrias estratégicas.

Leia também: O que é a altropia do carbono?

Resumo sobre o grafeno

• O grafeno é um alótropo do carbono derivado do grafite e é formado por uma única camada de átomos de carbono, organizados em uma rede hexagonal plana.
• Não apresenta fórmula molecular fixa, porém apresenta uma estrutura composta apenas por átomos de carbono com hibridização sp².
• É utilizado no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos, baterias, aeronaves, sensores para monitoramento de saúde, além de materiais para regeneração de tecidos.
• Entre suas propriedades, destacam-se sua resistência, condutividades elétrica e térmica, transparência e impermeabilidade.
• É formado por uma única camada de átomos de carbono, dispostos em uma estrutura hexagonal bidimensional, em que cada átomo se liga a outros três, formando ângulos de aproximadamente 120°.
• Pode ser obtido com base no grafite, por meio da esfoliação mecânica ou por deposição química a vapor (CVD).
• Na saúde, o grafeno é aplicado em diagnósticos (sensores ultrassensíveis), terapias (entrega direcionada de medicamentos e terapias fototérmicas), e regeneração de tecidos.
• Apresenta vantagens por ser um material condutor, resistente e muito versátil, permitindo inúmeras inovações tecnológicas, porém apresenta desvantagens quanto ao alto custo de produção.
• O Brasil é abundante em grafite de alta qualidade, uma das principais fontes para obtenção de grafeno.
• O grafeno foi descoberto, em 2004, por Andre Geim e Konstantin Novoselov, na Universidade de Manchester, no Reino Unido.

O que é grafeno?

O grafeno é um material formado por uma única camada de átomos de carbono, organizados em uma rede hexagonal plana. É, essencialmente, um alótropo bidimensional do carbono derivado do grafite. Sua composição química é exclusivamente carbono, e pode ser obtido por diferentes métodos, como a esfoliação mecânica, a deposição química de vapor (CVD) e técnicas eletroquímicas. Sua estrutura única lhe confere propriedades notáveis, tornando-o um dos materiais mais estudados da atualidade.

Qual a fórmula do grafeno?

A fórmula molecular do grafeno não é fixa, pois ele é uma estrutura bidimensional contínua. No entanto, pode ser descrito como uma repetição de átomos de carbono interligados por ligações sigma (𝜎) e pi (π).

Cada átomo de carbono no grafeno apresenta hibridização sp², formando ligações sigma fortes por meio da sobreposição dos orbitais 2p_x e 2p_y, que se encontram no mesmo plano, enquanto o orbital 2p_z, fora do plano, é responsável pela deslocalização dos elétrons π, garantindo a alta condutividade elétrica do material.

Essa rede proporciona ao grafeno uma geometria planar e uma estabilidade excepcional, características fundamentais para suas aplicações tecnológicas.

Para que serve o grafeno?

O grafeno é um dos materiais mais versáteis já descobertos, e suas aplicações abrangem diversas áreas do conhecimento e setores industriais. Graças às suas propriedades excepcionais, como alta condutividade elétrica, resistência mecânica e leveza, ele é considerado uma solução revolucionária para problemas tecnológicos e científicos. Entre suas principais aplicações, destacam-se as áreas de:

• Eletrônica e semicondutores: Uma das aplicações mais promissoras do grafeno é no desenvolvimento de componentes eletrônicos avançados. Ele pode ser usado na fabricação de transistores mais rápidos e eficientes, substituindo o silício em dispositivos semicondutores. Além disso, sua flexibilidade e transparência permitem a criação de telas touch screen ultrafinas, dobráveis e mais resistentes, que já estão sendo exploradas pela indústria de smartphones e tablets.
• Energia e baterias: No setor energético, o grafeno está transformando o armazenamento de energia. Ele é usado para produzir supercapacitores com maior capacidade de carga e ciclos de vida prolongados. Também tem potencial para aprimorar as baterias de íon-lítio, aumentando sua densidade energética e reduzindo o tempo de recarga. Outro avanço importante é o uso do grafeno em células solares, nas quais sua condutividade ajuda a melhorar a eficiência na conversão de luz em energia.
• Saúde e biomedicina: Na área biomédica, o grafeno tem aplicações que vão desde sensores para monitoramento de saúde até materiais para regeneração de tecidos. Ele também é utilizado no desenvolvimento de sistemas de liberação controlada de medicamentos, que aumentam a eficácia terapêutica e reduzem efeitos colaterais. A biocompatibilidade do grafeno e sua funcionalização química ampliam suas possibilidades de uso em diagnósticos e tratamentos personalizados.
• Materiais e compostos avançados: O grafeno é frequentemente incorporado a materiais compósitos para melhorar suas propriedades. Por exemplo, em plásticos e polímeros, ele adiciona resistência e durabilidade, enquanto mantém a leveza. Em aplicações estruturais, como concreto e aço, o grafeno melhora a resistência e reduz o impacto ambiental desses materiais, aumentando sua vida útil.
• Filtragem e purificação de água: Outra aplicação notável do grafeno é em sistemas de filtração. Sua estrutura porosa permite a criação de membranas altamente seletivas, capazes de remover impurezas, metais pesados e até mesmo sais da água. Isso o torna ideal para dessalinização e purificação de recursos hídricos, abordando um dos maiores desafios ambientais da atualidade.
• Transporte: Na indústria automobilística e aeroespacial, o grafeno é empregado para reduzir o peso de veículos e aeronaves, sem comprometer sua resistência. Isso resulta em maior eficiência energética e menor emissão de gases poluentes.

Com tantas aplicações potenciais, o grafeno continua sendo objeto de intensa pesquisa, com novos usos emergindo constantemente.

Propriedades do grafeno

As propriedades do grafeno o tornam um dos materiais mais fascinantes já estudados. Ele tem características únicas que o diferenciam de outros materiais e que o tornam indispensável em diversas aplicações tecnológicas.

• Propriedades mecânicas: O grafeno é conhecido por sua extraordinária resistência mecânica. Ele é cerca de 200 vezes mais resistente que o aço, mesmo sendo extremamente leve e flexível. Essa combinação de rigidez e elasticidade o torna ideal para aplicações em materiais compósitos e estruturas que exigem alta performance mecânica.
• Propriedades elétricas: A condutividade elétrica do grafeno é excepcional. Ele permite o transporte de elétrons quase sem resistência, mesmo em altas temperaturas. Isso ocorre devido à deslocalização dos elétrons pi (π) em sua estrutura bidimensional. Além disso, o grafeno tem mobilidade eletrônica muito superior à dos semicondutores tradicionais, como o silício, tornando-o um forte candidato para a próxima geração de componentes eletrônicos, incluindo transistores e circuitos integrados.
• Propriedades térmicas: O grafeno também apresenta condutividade térmica excepcional, sendo capaz de dissipar calor de forma extremamente eficiente. Isso é particularmente útil em dispositivos eletrônicos, nos quais o superaquecimento é um problema crítico. A capacidade do grafeno de conduzir calor supera a de materiais como o cobre, sendo uma solução promissora para gerenciamento térmico em dispositivos avançados.
• Propriedades ópticas: Apesar de ser incrivelmente fino, o grafeno é capaz de absorver cerca de 2,3% da luz que incide sobre ele, o que é uma quantidade surpreendente para um material de apenas uma camada atômica. Essa propriedade o torna ideal para aplicações em sensores ópticos e dispositivos fotônicos. Além disso, sua transparência e flexibilidade o tornam perfeito para telas e displays de última geração.
• Impermeabilidade: Uma propriedade menos comentada, mas igualmente importante, é a impermeabilidade do grafeno. Ele é capaz de barrar até os menores átomos, como o hélio, tornando-o uma excelente barreira em aplicações de encapsulamento ou proteção contra a umidade.

Características do grafeno

O grafeno é formado por uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonal bidimensional, que lembra um favo de mel. Essa configuração é resultado das ligações químicas covalentes estabelecidas entre os átomos de carbono, em que cada átomo se liga a outros três, formando ângulos de aproximadamente 120°.

Essa geometria plana e regular é possível devido à hibridização do tipo sp², que confere ao grafeno sua notável estabilidade e propriedades únicas.

Uma das características mais impressionantes do grafeno é sua estabilidade estrutural. Apesar de ser extremamente fino — com apenas um átomo de espessura —, ele é incrivelmente resistente e flexível. Essa estabilidade é garantida pela força das ligações covalentes entre os átomos de carbono, uma das mais fortes na Química.

Em relação às propriedades elétricas, o grafeno apresenta uma mobilidade eletrônica. Isso significa que os elétrons se movimentam quase livremente por sua estrutura, conferindo-lhe uma condutividade elétrica extraordinária. Essa característica é resultado da deslocalização dos elétrons pi (π), provenientes dos orbitais p_z​ de cada átomo de carbono. Esses elétrons formam uma nuvem eletrônica que cobre toda a superfície do grafeno, permitindo o transporte de carga elétrica de forma extremamente eficiente.

Outro ponto importante é sua estabilidade química. O grafeno é altamente inerte, ou seja, não reage facilmente com outras substâncias em condições normais. No entanto, ele pode ser funcionalizado quimicamente, ou seja, podem ser adicionados grupos químicos à sua superfície para alterar ou melhorar suas propriedades. Essa característica amplia suas aplicações, desde sensores até sistemas de armazenamento de energia.

Onde o grafeno é encontrado?

O grafeno não é encontrado de forma natural em sua forma isolada, mas pode ser obtido do grafite. Os métodos para obtenção do grafeno são os seguintes:

• Método de esfoliação mecânica: também chamado de “método do durex”, é um dos métodos mais conhecidos e pioneiros de obtenção do grafeno. Nesse processo, uma fita adesiva é usada para separar camadas de grafeno do grafite. Embora simples, esse método não é viável para produção em larga escala.
• Deposição química a vapor (CVD): Nesse processo, uma mistura gasosa contendo carbono é decomposta sobre um substrato metálico, como cobre ou níquel, formando uma camada de grafeno. Esse é o método mais utilizado para produção em larga escala devido à qualidade do material produzido.
• Redução de óxido de grafeno: O óxido de grafeno, obtido do grafite, é tratado quimicamente para remover grupos oxigenados e restaurar a estrutura do grafeno. Esse método é usado para produzir grafeno funcionalizado, embora o material resultante não tenha as mesmas propriedades do grafeno puro.

• Esfoliação líquida: Neste método, solventes ou agentes químicos são usados para separar as camadas de grafeno do grafite. É uma técnica versátil, especialmente para aplicações que requerem suspensões de grafeno.

Acesse também: Como se dá a transformação de grafite em diamante?

Grafeno na área da saúde

O grafeno tem revolucionado a área da saúde graças às suas propriedades únicas, como biocompatibilidade, alta condutividade elétrica e térmica, e uma superfície funcionalizável que permite interações específicas com biomoléculas. Essas características possibilitam sua aplicação em diversas frentes, promovendo avanços na medicina diagnóstica, terapêutica e regenerativa.

Na área de diagnósticos, o grafeno tem sido utilizado na fabricação de sensores biomédicos ultrassensíveis. Esses sensores conseguem detectar biomarcadores presentes em fluidos corporais, como sangue ou saliva, em concentrações extremamente baixas, permitindo diagnósticos mais rápidos e precisos para doenças como câncer e infecções virais. Além disso, os biossensores baseados em grafeno têm potencial para monitoramento contínuo de condições crônicas, como diabetes, por meio da detecção de glicose em tempo real.

Outro campo promissor é o uso do grafeno em terapias avançadas. Uma aplicação relevante é na entrega direcionada de medicamentos. Por ser uma estrutura bidimensional com alta área superficial, o grafeno pode ser funcionalizado para carregar e liberar medicamentos de forma controlada em alvos específicos, reduzindo efeitos colaterais e aumentando a eficácia do tratamento. Estudos também indicam que derivados do grafeno podem ser usados em terapias fototérmicas para destruir células tumorais de forma seletiva, aproveitando sua capacidade de absorver e transformar luz em calor.

Na medicina regenerativa, o grafeno tem mostrado potencial na engenharia de tecidos. Ele pode ser incorporado a scaffolds (estruturas tridimensionais), usados para promover o crescimento celular em feridas ou regeneração de órgãos.

Sua condutividade elétrica também o torna ideal para aplicações em neurociência, como o desenvolvimento de interfaces neurais e próteses inteligentes, que interagem diretamente com o sistema nervoso.

Além disso, o grafeno é estudado para criação de materiais antimicrobianos. Superfícies revestidas com grafeno podem inibir o crescimento de bactérias, tornando-se úteis em dispositivos médicos, como cateteres, e na fabricação de próteses mais seguras.

Vantagens e desvantagens do grafeno

O grafeno é amplamente reconhecido como um dos materiais mais revolucionários da ciência contemporânea devido às suas propriedades únicas. No entanto, como qualquer tecnologia emergente, ele apresenta vantagens e desvantagens que precisam ser consideradas. O equilíbrio entre as vantagens e desvantagens do grafeno dependerá do progresso tecnológico e das regulamentações, mas seu potencial para transformar múltiplos setores é inegável.

→ Vantagens do grafeno

• Propriedades extraordinárias: O grafeno é extremamente leve, flexível, e cerca de 200 vezes mais resistente que o aço. Suas condutividades elétrica e térmica são excepcionais, permitindo aplicações em eletrônicos, armazenamento de energia e dispositivos médicos.
• Versatilidade: Pode ser funcionalizado quimicamente para atender a diferentes finalidades, desde sensores até revestimentos anticorrosivos.
• Sustentabilidade: Como é derivado do carbono, um elemento abundante na natureza, o grafeno tem potencial para ser produzido de forma sustentável, especialmente com base em resíduos de carbono.
• Inovação tecnológica: Suas aplicações incluem desde eletrônicos flexíveis até membranas para dessalinização de água, com impacto significativo em várias indústrias.

→ Desvantagens do grafeno

• Alto custo de produção: Embora avanços estejam sendo feitos, a produção de grafeno de alta qualidade em larga escala ainda é cara e complexa.
• Desafios técnicos: A manipulação e a integração do grafeno em processos industriais requerem equipamentos especializados e conhecimento técnico avançado.
• Questões de toxicidade: Estudos sobre os impactos do grafeno no meio ambiente e na saúde humana ainda estão em andamento, especialmente em relação à exposição prolongada.
• Incerteza regulatória: Por ser um material relativamente novo, ainda não existem padrões globais claros para sua produção, uso e descarte, o que pode limitar sua adoção em algumas indústrias.

Grafeno no Brasil

O Brasil tem se destacado na pesquisa e na produção de grafeno, consolidando-se como um dos líderes globais nessa área. Graças à abundância de grafite de alta qualidade, uma das principais fontes para obtenção de grafeno, o país tem vantagens estratégicas no desenvolvimento dessa tecnologia.

A Universidade Presbiteriana Mackenzie, em São Paulo, é referência na pesquisa do grafeno, contando com o MackGraphe, um centro de pesquisa avançado dedicado ao material. Além disso, outras instituições, como a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), têm desempenhado um papel importante na produção de conhecimento científico sobre o grafeno.

Na indústria, empresas brasileiras têm investido em tecnologias para produção em escala e comercialização de produtos à base de grafeno. Aplicações incluem revestimentos anticorrosivos, componentes eletrônicos, baterias de alto desempenho e materiais para engenharia. Um exemplo de avanço é o uso de grafeno em aditivos para melhorar as propriedades de concretos e asfaltos, promovendo maior durabilidade e sustentabilidade.

O governo brasileiro também tem incentivado projetos relacionados ao grafeno, reconhecendo seu potencial para fortalecer a economia nacional. A produção sustentável e o desenvolvimento de aplicações de grafeno estão alinhados com as políticas de inovação e sustentabilidade no Brasil.

Apesar dos avanços, desafios permanecem, como a necessidade de maior integração entre universidades e empresas e a criação de regulamentações específicas para o uso do grafeno no país. Contudo, o Brasil está bem-posicionado para aproveitar as oportunidades oferecidas por esse material revolucionário.

Origem e história do grafeno

O grafeno foi descoberto, em 2004, por dois cientistas russos, Andre Geim e Konstantin Novoselov, na Universidade de Manchester, no Reino Unido. Usando um método simples de esfoliação mecânica com fita adesiva, eles conseguiram isolar, pela primeira vez, uma camada única de grafeno a partir do grafite. Essa descoberta revolucionária rendeu à dupla o Prêmio Nobel de Física em 2010, devido ao impacto científico e tecnológico do material.

Inicialmente, muitos cientistas acreditavam que uma substância tão fina seria instável e impossível de manipular. No entanto, Geim e Novoselov provaram o contrário, demonstrando as propriedades notáveis do grafeno, como sua alta condutividade elétrica, resistência mecânica e flexibilidade.

A recepção da comunidade científica foi extremamente positiva, e a descoberta gerou uma explosão de pesquisas sobre materiais bidimensionais. Em poucos anos, o grafeno passou de uma curiosidade laboratorial para o centro de estudos em Física, Química e engenharia, levando ao desenvolvimento de novas técnicas para sua produção e aplicações práticas.

Desde então, o grafeno tem sido considerado o material do futuro, com potencial para revolucionar setores como eletrônica, saúde, energia e meio ambiente. Apesar dos desafios técnicos e econômicos, sua descoberta abriu caminho para uma nova era na ciência dos materiais.

Exercícios resolvidos sobre grafeno

Questão 1

(Enem) Placas solares comuns dependem de dias ensolarados para gerar energia. Mas podemos gerar eletricidade com a ajuda de gotas de chuva, revestindo placas solares com uma fina camada de grafeno. Os íons dissociados a partir da água da chuva (A^m+ e Bⁿ⁻) tornam a combinação grafeno e água da chuva um par perfeito para geração de energia. O processo requer apenas uma camada de grafeno para que grande quantidade de elétrons (e⁻) se movimente ao longo da superfície.

TANG, Q. et al. A Solar Cell that is Triggered by Sun and Rain. Angewandte Chemie International Edition, n. 55, 2016 (adaptado).

Ao produzir eletricidade em dias chuvosos, o grafeno

A) oxida os cátions dissolvidos na água da chuva.

B) impede a difusão da água através das placas solares.

C) diminui a energia de ativação da reação no pseudocapacitor.

D) forma um compósito não metálico com os íons na água da chuva.

E) gera uma diferença de potencial pela interação dos elétrons com os cátions.

Resolução:

Alternativa E.

A questão propõe uma nova forma de gerar energia, utilizando a energia cinética das gotas de chuva e a condutividade do grafeno.

Analisando as alternativas:

A) oxida os cátions dissolvidos na água da chuva. A oxidação envolve a perda de elétrons. No caso, os cátions já têm carga positiva, ou seja, já perderam elétrons. O grafeno não está oxidando os cátions, mas sim interagindo com eles para gerar a diferença de potencial. Incorreta.

B) impede a difusão da água através das placas solares. A função do grafeno, nesse caso, é conduzir elétrons e gerar energia, não impedir a passagem de água. Incorreta.

C) diminui a energia de ativação da reação no pseudocapacitor. A questão não menciona um pseudocapacitor, e a função do grafeno nesse processo não é diminuir a energia de ativação de uma reação. Incorreta.

D) forma um compósito não metálico com os íons na água da chuva. O grafeno é um material condutor de eletricidade, ou seja, é um metaloide. Além disso, a formação de um composto não metálico não explicaria a geração de eletricidade. Incorreta.

E) gera uma diferença de potencial pela interação dos elétrons com os cátions. Correta. Essa alternativa resume perfeitamente o processo descrito. A interação entre os elétrons livres do grafeno e os íons presentes na água da chuva cria uma diferença de potencial elétrico, que é a base para a geração de eletricidade.

O grafeno, por ser um material com alta condutividade elétrica, permite o livre movimento de elétrons. Quando as gotas de chuva entram em contato com o grafeno, os íons positivos (cátions) são atraídos pelos elétrons livres do material. Essa atração cria uma diferença de potencial elétrico entre a superfície do grafeno e a solução aquosa. Essa diferença de potencial é a força motriz que impulsiona os elétrons a se moverem em um circuito externo, gerando assim corrente elétrica.

Questão 2

(Enem) O grafeno é uma forma alotrópica do carbono constituído por uma folha planar (arranjo bidimensional) de átomos de carbono compactados e com a espessura de apenas um átomo. Sua estrutura é hexagonal, conforme a figura.

Nesse arranjo, os átomos de carbono possuem hibridação

A) sp de geometria linear.

B) sp² de geometria trigonal planar.

C) sp³ alternados com carbonos com hibridação sp de geometria linear.

D) sp³d de geometria planar.

E) sp³d² com geometria hexagonal planar.

Resolução:

Alternativa B.

A questão propõe uma análise da estrutura do grafeno para identificar a hibridização dos átomos de carbono que compõem essa rede cristalina.

O que sabemos sobre o grafeno:

• Estrutura: Uma folha plana de átomos de carbono arranjados em hexágonos.
• Espessura: Apenas um átomo de espessura.
• Hibridização: É o que a questão pede para descobrirmos.

O que a hibridização nos diz:

A hibridização dos orbitais atômicos de um átomo determina a geometria da molécula e as propriedades das ligações químicas. No caso do carbono, a hibridização pode ser sp, sp² ou sp³. Cada tipo de hibridização corresponde a uma geometria molecular diferente.

Analisando as alternativas:

A) sp de geometria linear: A hibridização sp resulta em uma geometria linear, o que não condiz com a estrutura hexagonal do grafeno.

B) sp² de geometria trigonal planar: A hibridização sp² resulta em uma geometria trigonal planar, com ângulos de ligação de 120°. Essa é a hibridização que melhor se encaixa na estrutura hexagonal do grafeno, na qual cada átomo de carbono está ligado a outros três átomos em um ângulo de 120°.

C) sp³ alternados com carbonos com hibridização sp de geometria linear: Essa alternativa é inconsistente com a estrutura homogênea do grafeno.

D) sp³d de geometria planar: Essa hibridização não é comum para o carbono e não se aplica à estrutura do grafeno.

E) sp³d² com geometria hexagonal planar: Essa hibridização também não é comum para o carbono e não se encaixa na estrutura do grafeno.

Na estrutura do grafeno, cada átomo de carbono forma três ligações covalentes com outros átomos de carbono. Para formar essas três ligações, o átomo de carbono hibridiza um orbital s e dois orbitais p, originando três orbitais híbridos sp². Esses orbitais híbridos se orientam no espaço formando um ângulo de 120° entre si, o que resulta na geometria trigonal planar característica dos átomos de carbono no grafeno.

Fontes

MARION, Bianca; HASAN, Nasser. Grafeno: Inovações, aplicações e sua comercialização. Interfaces Científicas - Exatas e Tecnológicas, Aracaju,  V.2,  N.1,  p. 29-40, 2016.

LOPES DOS SANTOS, J. M. B. O Grafeno. Casa das Ciências - Revista de Ciência Elementar, V.2, p. 1-6.

VIEIRA SEGUNDO, J. E. D, VILAR, E. O. Grafeno: Uma revisão sobre propriedades, mecanismos de produção e potenciais aplicações em sistemas energéticos. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, v. 11, n. 2, p. 54–57, 2016.