Em 2004, dois cientistas da Universidade de Manchester conduziram um experimento aparentemente simples com consequências potencialmente capazes de mudar o mundo. Os pesquisadores, Andre Geim e Konstantin Novoselov, estavam brincando com grafite, o material na ponta do seu lápis . O grafite é feito de folhas superfinas de carbono puro empilhadas umas sobre as outras. Geim e Novoselov queriam ver se podiam isolar uma única folha de grafite, uma camada incrivelmente fina de carbono medindo apenas um átomo de espessura.
Então, eles pegaram um rolo de fita adesiva. Sim, a mesma fita transparente no aplicador de plástico que você guarda na sua gaveta de lixo. Veja como Geim descreveu sua técnica , conforme relatado pela BBC.
O método da fita adesiva funcionou! Ao isolar uma folha de carbono de camada única, Geim e Novoselov foram creditados com a descoberta de um novo material chamado grafeno, que agora se acredita ser a substância mais forte, leve e eletricamente condutora da Terra.
Em 2010, Geim e Novoselov dividiram o Prêmio Nobel de Física pela descoberta do grafeno, e pesquisadores de todo o mundo começaram a clamar por maneiras de usar esse notável "supermaterial" para construir baterias mais poderosas e duradouras, microchips mais rápidos, circuitos flexíveis, biossensores implantáveis e mais. Uma década depois, o grafeno ainda não cumpriu suas promessas, mas os especialistas estão confiantes de que finalmente veremos smartphones, carros elétricos e sensores usando tecnologia baseada em grafeno nos próximos anos.
Por que o grafeno é um supermaterial?
Medindo apenas um átomo de espessura, uma folha de grafeno verifica todas as caixas de um supermaterial:
- O grafeno é 200 vezes mais forte que o aço em peso.
- É 1.000 vezes mais leve que o papel.
- É 98% transparente.
- Conduz eletricidade melhor do que qualquer outro material conhecido à temperatura ambiente.
- Ele pode converter a luz em qualquer comprimento de onda em uma corrente.
- E, por último, mas não menos importante, o grafeno é feito de carbono, o quarto elemento mais abundante do universo, por isso não é provável que acabemos.
O grafeno obtém seus superpoderes de sua estrutura . Se você pudesse aproximar o suficiente, veria que uma folha de grafeno parece um favo de mel em escala atômica. Os átomos de carbono individuais estão dispostos em um padrão hexagonal que se assemelha a tela de arame. Cada átomo de carbono em uma folha de grafeno está ligado covalentemente a três outros itens de carbono, o que dá ao material sua incrível força.
Por que o grafeno conduz eletricidade tão bem? Novamente, por causa da maneira como esses átomos de carbono estão ligados. Cada átomo de carbono tem quatro elétrons em sua camada externa, mas apenas três desses elétrons são compartilhados com seus três átomos de carbono vizinhos. O elétron restante é chamado de elétron pi e é livre para se mover no espaço tridimensional, o que permite transmitir cargas elétricas pela folha de grafeno com quase nenhuma resistência. Na verdade, o grafeno é o condutor de eletricidade mais rápido à temperatura ambiente de qualquer substância conhecida.
O 'ângulo mágico'
Uma descoberta recente pode adicionar mais uma superpotência à lista de se gabar do grafeno. Uma equipe do Massachusetts Institute of Technology (MIT) estava experimentando com grafeno de camada dupla – duas camadas de grafeno de átomo único empilhadas – quando se depararam com uma nova propriedade quase mágica do grafeno. Quando as camadas são giradas ligeiramente fora de linha umas das outras – um deslocamento de exatamente 1,1 graus – o grafeno se torna um supercondutor . Os supercondutores são a classe mais rara de materiais que conduzem eletricidade com absolutamente nenhuma resistência e calor zero.
A descoberta do "ângulo mágico" do grafeno causou ondas de choque na comunidade científica. Embora o experimento tenha sido conduzido em temperaturas extremamente baixas (perto de 0 graus Kelvin ou menos 459,67 F), ele abriu a possibilidade de que, ao combinar grafeno com outros elementos supercondutores, estejamos mais próximos do que nunca da supercondutividade à temperatura ambiente. Tal conquista melhoraria radicalmente a eficiência energética de tudo, de gadgets a carros e redes elétricas inteiras.
Como o grafeno pode transformar a tecnologia?
A supercondutividade ainda está a décadas de distância, mas produtos revolucionários à base de grafeno estão chegando ao mercado muito mais cedo, diz Andrea Ferrari, professora de nanotecnologia e diretora do Cambridge Graphene Center .
“Até 2024, haverá uma variedade de produtos de grafeno no mercado”, diz Ferrari, “incluindo baterias, fotônica, câmeras de visão noturna e muito mais”.
Os consumidores aguardam ansiosamente as baterias à base de grafeno há anos. As baterias de íons de lítio em todos os nossos gadgets são relativamente lentas para carregar, perdem sua energia rapidamente e queimam após um determinado número de ciclos. Isso porque o processo eletroquímico que alimenta as baterias de íons de lítio gera muito calor.
Mas como o grafeno é o condutor elétrico mais eficiente do mundo, ele produz muito menos calor ao carregar ou descarregar eletricidade. As baterias à base de grafeno prometem velocidades de carregamento cinco vezes mais rápidas do que as de íons de lítio, três vezes mais vida útil da bateria e cinco vezes mais ciclos antes de precisarem ser substituídas.
Empresas de eletrônicos como Samsung e Huwei estão desenvolvendo ativamente baterias baseadas em grafeno para smartphones e outros gadgets, mas o mais cedo que chegará ao mercado é 2021 . Quanto às baterias de grafeno em carros elétricos – que podem aumentar drasticamente seu raio de ação – ainda faltam alguns anos. Toda uma indústria foi construída com tecnologia de íons de lítio e isso não mudará da noite para o dia.
"A indústria de baterias é muito conservadora", diz Jesus de la Fuente, CEO da Graphanea , uma empresa que fabrica e vende grafeno puro e chips baseados em grafeno para pesquisadores acadêmicos e departamentos de P&D. "Pode mudar a composição das baterias algumas vezes a cada cinco a dez anos, o que dificulta muito a introdução de novos produtos nesse setor."
Existem algumas baterias à base de grafeno no mercado, incluindo alguns carregadores com e sem fio de uma empresa chamada Real Graphene, mas essas são apenas a ponta do iceberg, diz Ferrari, que também é diretor de ciência e tecnologia da Graphene Flagship , uma colaboração de 1 bilhão de euros da União Europeia para acelerar o desenvolvimento da tecnologia de grafeno. Os parceiros de pesquisa da Flagship já estão fabricando baterias de grafeno que superam as melhores células de alta energia de hoje em 20% de capacidade e 15% de energia. Outras equipes construíram células solares baseadas em grafeno que são 20% mais eficientes na conversão da luz solar em eletricidade.
Outros usos do grafeno
Embora as baterias de grafeno possam ser as primeiras no mercado, os pesquisadores estão ocupados desenvolvendo inúmeras outras aplicações para esse material milagroso.
Biossensores são um grande negócio. Imagine um chip incrivelmente fino e flexível que pode ser injetado na corrente sanguínea para monitorar dados de saúde em tempo real, como níveis de insulina ou pressão arterial. Ou uma interface de grafeno que envia sinais para o cérebro para detectar uma crise epiléptica iminente ou até mesmo preveni-la. Sensores finos e elásticos também podem ser usados na pele ou tecidos no tecido das roupas.
A fotônica é outro campo que já está incorporando o grafeno. Ao integrar o grafeno em chips sensíveis à luz, câmeras e outros sensores podem melhorar muito a sensibilidade até mesmo às ondas de luz mais fracas no espectro visível e invisível. Isso não apenas melhorará a qualidade da imagem de câmeras e telescópios, mas também as imagens médicas.
A filtragem é outra aplicação promissora do grafeno. Filtros simples de purificação de água construídos com polímeros de grafeno podem se ligar a contaminantes orgânicos e inorgânicos na água potável. Pesquisadores do Graphene Flagship também criaram tecnologias de dessalinização baseadas em diodos de grafeno que podem remover mais de 60% do sal da água do mar para usos agrícolas e outros.
Todos esses desenvolvimentos levarão tempo, mas a Ferrari no Cambridge Graphene Center está confiante de que o grafeno fará jus ao seu hype. Na verdade, ele está igualmente entusiasmado com as propriedades ainda não descobertas dos estimados 2.000 outros materiais de monocamada que também estão sendo isolados, método de fita adesiva ou outro.
"Dizemos grafeno, mas na verdade estamos falando de um grande número de opções que estão sendo exploradas", diz Ferrari. "As coisas estão indo na direção certa."
Agora que legal
A fabricante de equipamentos esportivos Head foi uma das primeiras a entrar na onda do grafeno. Sua raquete de tênis Graphene XT afirma ser 20% mais leve que as raquetes com o mesmo peso de balanço.
