Uma folha de grafeno parece um favo de mel em escala atômica. enot-poloskun / Getty Images Em 2004, dois cientistas da Universidade de Manchester conduziram um experimento aparentemente simples, com consequências potencialmente transformadoras do 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 conseguiam isolar uma única folha de grafite, uma camada de carbono incrivelmente fina 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.
"Você coloca [fita adesiva] em grafite ou mica e descasca a camada superior. Há flocos de grafite que saem da sua fita. A seguir, dobra a fita ao meio, cola nos flocos no topo e os divide novamente. E você repete este procedimento 10 ou 20 vezes. Cada vez, os flocos se dividem em flocos cada vez mais finos. No final, você fica com flocos muito finos presos à sua fita. Você dissolve a fita e tudo entra em solução. "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 é considerado o mais forte, substância mais leve e mais eletricamente condutora da Terra.
Em 2010, Geim e Novoselov compartilharam o Prêmio Nobel de Física pela descoberta do grafeno, e pesquisadores de todo o mundo começaram a clamar por maneiras de usar este notável "supermaterial" para construir baterias mais poderosas e duradouras, microchips mais rápidos, circuitos flexíveis, biossensores implantáveis e muito mais. Uma década depois, o grafeno ainda não cumpriu suas promessas muito elogiadas, mas os especialistas estão confiantes de que finalmente veremos smartphones, carros elétricos e sensores usando tecnologia à base de grafeno nos próximos anos.
Medindo em apenas um átomo de espessura, uma folha de grafeno verifica todas as caixas de um supermaterial:
O grafeno obtém seus superpoderes de sua estrutura. Se você pudesse aumentar o zoom perto o suficiente, você veria que uma folha de grafeno parece um favo de mel em escala atômica. Os átomos de carbono individuais são organizados em um padrão hexagonal que se assemelha a uma tela de arame. Cada átomo de carbono em uma folha de grafeno é covalentemente ligado a três outros itens de carbono, o que dá ao material sua incrível resistência.
Por que o grafeno conduz eletricidade tão bem? Novamente, por causa da forma 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 vizinhos três átomos de carbono. O elétron restante é chamado de elétron pi e está livre para se mover no espaço tridimensional, o que permite a transmissão de cargas elétricas pela folha de grafeno quase sem resistência. Na verdade, o grafeno é o condutor de eletricidade mais rápido à temperatura ambiente de qualquer substância conhecida.
Na Cabot Corporation, o pesquisador sênior Matt Hesketh examina a progressão do grafeno em três frascos. O frasco à esquerda é de grafite, o do meio é grafite expandido, e o da direita é o grafeno. John Tlumacki / The Boston Globe via Getty Images
Uma descoberta recente pode adicionar mais um superpoder à lista de vanglória 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 eles toparam com um novo, propriedade quase mágica do grafeno. Quando as camadas são giradas ligeiramente fora da linha umas das outras - um deslocamento de exatamente 1,1 graus - o grafeno se torna um supercondutor. Supercondutores são a classe mais rara de materiais que conduzem eletricidade sem absolutamente nenhuma resistência e zero calor.
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), abriu a possibilidade de que, ao combinar grafeno com outros elementos supercondutores, estamos mais perto 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.
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, professor de nanotecnologia e diretor do Cambridge Graphene Center.
"Em 2024, haverá uma variedade de produtos de grafeno no mercado, "diz Ferrari, "incluindo baterias, fotônica, câmeras de visão noturna e muito mais. "
Os consumidores esperam ansiosamente por baterias à base de grafeno há anos. As baterias de íon de lítio em todos os nossos aparelhos são relativamente lentas para carregar, perdem seu suco 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, uma vez que 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 íon de lítio, bateria três vezes mais longa, e cinco vezes mais ciclos antes de precisarem ser substituídos.
Empresas de eletrônicos como Samsung e Huwei estão desenvolvendo ativamente baterias à base de grafeno para smartphones e outros aparelhos, mas as primeiras chegarão ao mercado em 2021. Quanto às baterias de grafeno em carros elétricos - o que poderia aumentar drasticamente seu raio de direção - ainda faltam alguns anos. Uma indústria inteira foi construída com tecnologia de íon de lítio e 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. "Isso pode mudar a composição das baterias algumas vezes a cada cinco a dez anos, o que torna muito difícil a introdução de novos produtos nesta indústria. "
Existem algumas baterias baseadas em grafeno no mercado, incluindo alguns carregadores com e sem fio de uma empresa chamada Real Graphene, mas esses são apenas a ponta do iceberg, diz Ferrari, que também é o oficial de ciência e tecnologia do Graphene Flagship, uma colaboração de 1 bilhão de euros da União Europeia para acelerar o desenvolvimento da tecnologia do grafeno. Os parceiros de pesquisa da Flagship já estão fabricando baterias de grafeno que superam as melhores células de alta energia da atualidade em 20% da capacidade e 15% da energia. Outras equipes construíram células solares à base de grafeno que são 20% mais eficientes na conversão de luz solar em eletricidade.
Embora as baterias de grafeno possam ser as primeiras no mercado, os pesquisadores estão ocupados desenvolvendo inúmeras outras aplicações para este material milagroso.
Os biossensores são importantes. 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 de um lado para outro para o cérebro para detectar uma próxima crise epiléptica ou até mesmo evitá-la. Afinar, Sensores extensíveis também podem ser usados na pele ou tecidos no tecido das roupas.
Professor de física Dr. Yan Fung, detém uma nova invenção de células solares semitransparentes de baixo custo com eletrodos de grafeno na Poly University em Hung Hom, China, 2015. David Wong / South China Morning Post via Getty Images A fotônica é outro campo que já incorpora o grafeno. Ao integrar o grafeno em chips sensíveis à luz, câmeras e outros sensores podem melhorar muito a sensibilidade até mesmo para as ondas de luz mais fracas em todo o espectro visível e invisível. Isso não só melhorará a qualidade da imagem de câmeras e telescópios, mas também imagens médicas.
A filtração 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. Os pesquisadores do Graphene Flagship também criaram tecnologias de dessalinização baseadas em diodos de grafeno que podem remover mais de 60 por cento do sal da água do mar para fins agrícolas e outros.
Todos esses desenvolvimentos levarão tempo, mas a Ferrari no Cambridge Graphene Center está confiante de que o grafeno viverá de acordo com seu exagero. Na verdade, ele está igualmente animado com as propriedades ainda não descobertas dos estimados 2, 000 outros materiais monocamada que também estão sendo isolados, método de fita adesiva ou outro.
"Dizemos grafeno, mas na verdade estamos falando sobre um grande número de opções que estão sendo exploradas, "diz Ferrari." As coisas estão indo na direção certa. "
Agora isso é legalO fabricante de equipamentos esportivos Head foi um dos primeiros a entrar no movimento do grafeno. Sua raquete de tênis Graphene XT afirma ser 20% mais leve do que as raquetes com o mesmo peso de swing.
