p (PhysOrg.com) - No romance do século 19, Planície, por Edward A. Abbott, os residentes daquele país fictício existem em apenas duas dimensões. As mulheres nascem como segmentos de linha, enquanto os homens vêm em uma variedade de formas geométricas que refletem sua posição, de triângulos isósceles humildes, para praças de classe média, a hexágonos de seis lados, reservado para a nobreza. p As restrições da vida em um plano plano refletem satiricamente a rígida estrutura de classes vitoriana da época de Abbott. Quando o narrador da história descobre uma terceira dimensão, altura, ele tenta comunicar este conceito libertador a outros habitantes da Flatland, e acaba na prisão.

p Grafeno, uma versão da vida real de Flatland, consiste em fileiras e mais fileiras de anéis hexagonais de átomos de carbono encaixados em um padrão plano de favo de mel com apenas um único átomo de espessura.

p Esta escala atômica torna o grafeno parte do nanomundo, onde objetos mil vezes mais finos que um fio de cabelo humano não seguem mais as leis naturais familiares, como fricção e gravidade.

p Assim como o narrador de Flatland se eleva acima de sua existência restrita para experimentar a vida em outra dimensão, objetos na escala nano obedecem a um novo conjunto de regras:as leis "fantasmagóricas" da mecânica quântica.

p Peculiaridades quânticas

p Um dos efeitos da mecânica quântica mais empolgantes do grafeno é a alta velocidade com que os elétrons podem fluir através dele devido à falta de fricção. Este chamado transporte "balístico" pode levar a uma nova geração de super-rápidos, eletrônica supereficiente.

p Além disso, por seu tamanho, o grafeno é mais forte e flexível do que o aço. Conduz calor 10 vezes mais rápido que o cobre e pode transportar 1, 000 vezes a densidade da corrente elétrica como fios de cobre.

p Na verdade, a estrutura do grafeno dá a ele muitas ópticas exclusivas, térmico, propriedades mecânicas e elétricas, empolgantes engenheiros e cientistas em todo o mundo com novas e grandiosas possibilidades para todos os tipos de aplicações.

p Grafeno crescente

p O grafeno foi descoberto por cientistas do início do século 20 observando o grafite comum usando espectroscopia de raios-X. Embora eles pudessem dizer que o grafite era composto de uma pilha de camadas individuais de grafeno, ninguém viu qualquer utilidade para essas camadas ultrafinas na época.

p Na década de 1990, cientistas aprenderam a fazer nanotubos de carbono (CNTs), que são minúsculos, tubos enrolados de átomos de carbono dispostos no mesmo padrão hexagonal de arame de galinheiro que o grafeno.

p Foi só em 2004 que os cientistas mediram as propriedades eletrônicas de finas camadas de grafeno depois de separar lascas de grafite de lápis usando fita transparente. Mas esse método tedioso de criar grafeno nunca funcionaria para um produto comercialmente viável.

p Ultrapassando o silício

p Enquanto isso, Walter de Heer, cientistas da Georgia Tech, Claire Berger (também afiliada ao CNRS, França) e Phillip First tinha trabalhado com CNTs. Eles esperavam usar os tubos em nanoescala para acelerar a próxima geração de componentes microeletrônicos que excederiam a capacidade da eletrônica de silício.

p Mas, embora os CNTs tivessem velocidade de transporte de elétrons balísticos, eles eram difíceis de montar em circuitos integrados.

p Em 2001, de Heer pensou que talvez o grafeno bidimensional também pudesse ser usado como um material eletrônico, uma vez que é a base dos nanotubos de carbono. Aquele ano, ele submeteu uma proposta de pesquisa à National Science Foundation (NSF) para uma bolsa para estudar o uso do grafeno na eletrônica.

p De Heer e sua equipe tiveram a ideia de cultivar uma camada plana de grafeno bem onde seria usado em um chip, e no tamanho e forma exatos necessários, para que pudesse ser pré-integrado em um dispositivo elétrico. Isso seria muito mais fácil do que produzir os delicados CNTs, transferindo-os para outro local, e, em seguida, conectá-los com um fio de metal a um circuito.

p Primeira patente de grafeno

p Em 2003, a equipe da Georgia Tech foi a primeira a registrar uma patente para um processo de fabricação de dispositivos eletrônicos simples usando grafeno produzido epitaxialmente (epitaxial significa crescer uma camada de uma substância em cima de outro material para que ambos os materiais tenham a mesma orientação estrutural).

p O método básico da equipe era aquecer um wafer cristalino de carboneto de silício (SiC) a altas temperaturas (acima de 1100 C). Nessa temperatura, os átomos de silício evaporaram da superfície deixando apenas átomos de carbono, que se reorganizaram no familiar padrão de tela de arame do grafeno.

p O grafeno epitaxial pode ser cultivado em cima de diferentes materiais de apoio, dependendo de para que será usado. Uma grande vantagem do grafeno epitaxial é que ele usa os mesmos tipos de processos químicos que os desenvolvedores já usam para fazer eletrônicos à base de silício.

p "É mais do que apenas ter o material de grafeno, "De Heer disse." É realmente ter a plataforma e as técnicas de processamento que seriam desenvolvidas em paralelo. "

p Desde sua proposta inicial, de Heer e sua equipe, financiado pela NSF por meio do Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais da Geórgia (MRSEC), receberam outras patentes e publicaram dezenas de trabalhos de pesquisa sobre o grafeno epitaxial para produtos eletrônicos. Em 2010, de Heer recebeu a Medalha MRS da Sociedade de Pesquisa de Materiais por suas contribuições pioneiras à ciência e tecnologia do grafeno epitaxial.

p O grafeno torna-o mais forte

p As propriedades eletrônicas superiores do grafeno não são seu único ponto forte. Nikhil Koratkar, professor de mecânica, engenharia aeroespacial e nuclear no Rensselaer Polytechnic Institute, está usando folhas de grafeno para fortalecer os compostos de cerâmica para ambientes difíceis, como o espaço sideral.

p "Estou muito interessado em desenvolver aplicações práticas de nanomateriais, como grafeno e nanotubos de carbono, "disse Koratkar." Os nanocompósitos são uma dessas aplicações que podem ter um forte impacto. "
Koratkar está trabalhando com Erica L. Corral, professor assistente do departamento de ciência e engenharia de materiais da Universidade do Arizona, e especialista em compósitos cerâmicos.

p Antes de Koratkar e Corral se unirem, o grafeno tinha sido usado em compósitos poliméricos, mas nunca em cerâmicas para melhorar sua resistência mecânica. A cerâmica está entre os materiais mais resistentes a altas temperaturas do mundo, mas eles tendem a ser muito frágeis.

p Prevenindo rachaduras

p Na busca por algo para adicionar aos compósitos cerâmicos que evitasse rachaduras, os cientistas escolheram o grafeno por sua resistência mecânica, área de superfície e geometria. "O grafeno mostra rigidez e força notáveis, "Koratkar disse." E embora tenha apenas nanômetros de espessura, ele vem em folhas grandes o suficiente para envolver e ancorar-se com segurança em torno dos grãos de cerâmica durante o processo de sinterização usado para fabricar a cerâmica. "

p Os resultados da pesquisa de Koratkar e Corral foram encorajadores. "Mostramos que o grafeno pode endurecer cerâmicas de nitreto de silício em mais de 200 por cento, ", disse ele." A razão para este endurecimento é que as folhas de grafeno bidimensionais são capazes de desviar rachaduras de propagação não apenas em duas, mas em três dimensões. "

p Koratkar e Corral, apoiado por doações da NSF, continuará a explorar o uso do grafeno em outros tipos de cerâmica e a estudar o desempenho do compósito com maiores percentagens de grafeno.

p "O futuro do grafeno na cerâmica deve resultar em um novo campo de pesquisa de materiais e sistemas de compósitos que é muito mais avançado do que os sistemas de reforço unidimensionais que usamos até agora, "disse Corral.

p Representando graficamente a indústria do grafeno

p Com tanta pesquisa de grafeno em andamento em uma infinidade de indústrias, é difícil acompanhar. Mas Jan Youtie, cientista social e principal associado de pesquisa do Instituto de Inovação Empresarial da Georgia Tech, junto com seu colega Philip Shapira, professor da Escola de Políticas Públicas da Georgia Tech e da Universidade de Manchester, estão fazendo exatamente isso.

p Os pesquisadores usam um processo chamado "avaliação de tecnologia em tempo real" (RTTA) para entender o social, moral, dinâmica política e econômica da indústria de nanotecnologia, incluindo grafeno. Para fazer isso, eles reúnem todos os pedidos de patentes e todos os artigos científicos que cobrem o grafeno em um banco de dados.

p "O grafeno experimentou uma trajetória íngreme em termos de produção de pesquisa e descobertas, "Youtie disse." Esta trajetória é ainda mais antiga e mais íngreme do que vimos com respeito a outras nanotecnologias. "

p A pesquisa de Youtie e Shapira é financiada pela NSF por meio do Center for Nanotechnology in Society da Arizona State University (CNS-ASU), que unifica programas de pesquisa em várias universidades. Eles descobriram que Atlanta, onde a Georgia Tech está localizada, é um dos principais nós de pesquisa de grafeno no mundo, com base no número total de publicações.

p Grafeno global

p “Existem quase 200 empresas, incluindo grandes empresas multinacionais e pequenas empresas iniciantes que se envolveram no domínio do grafeno, "Youtie disse." Isso significa que novas aplicações estão sendo consideradas enquanto a pesquisa ainda está sendo conduzida. "

p Só no ano passado, Youtie registrou patentes usando grafeno em uma bateria de álcool combustível, Enchedor em pó Bakelite ™, transistores de cristal único orgânico, sistemas de liberação controlada de drogas, células solares sensibilizadas com corante, tingimento de águas residuais, compósitos de filme fino / compósitos condutores / compósitos de polímero / compósitos de madeira e plástico, placa de fibra resistente à água, espuma metálica, material do cátodo da bateria, impressão e uma bateria de combustível de membrana de troca de prótons.

p “Há uma participação global na pesquisa e comercialização do grafeno, e as principais empresas são grandes corporações da Coréia e do Japão, com as empresas americanas presentes, mas não tão predominantes, "Youtie disse." A internacionalização neste domínio reflete a transcendência da nanotecnologia em geral além das fronteiras nacionais. "