Formado nas profundezas da terra, mais forte que o aço, e mais fino que um cabelo humano. Essas comparações não descrevem um novo super-herói. Eles estão descrevendo o grafeno, uma substância que alguns especialistas chamam de "a mais incrível e versátil" conhecida pela humanidade.

Doug Adamson, professor de química da UConn, membro do Programa de Polímeros do Instituto de Ciência de Materiais da UConn, patenteou um processo único para esfoliar este maravilhoso material em sua forma pura (não oxidada), bem como a fabricação de nanocompósitos de grafeno inovadores que têm usos potenciais em uma variedade de aplicações.

Se você pensa no grafite como um baralho de cartas, cada cartão individual seria uma folha de grafeno. Composto por uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal, O grafeno é um cristal bidimensional que é pelo menos 100 vezes mais forte que o aço. Aerogéis feitos de grafeno são alguns dos materiais mais leves conhecidos pelo homem, e as folhas de grafeno são uma das mais finas, com apenas um átomo de espessura - isso é aproximadamente um milhão de vezes mais fino do que um fio de cabelo humano. O grafeno também é ainda mais termicamente e eletricamente condutivo do que o cobre, com carga elétrica mínima.

Por causa dessas qualidades únicas, o grafeno tem sido um tema importante para pesquisadores acadêmicos e líderes da indústria desde que foi isolado do grafite pela primeira vez em 2004. Desde então, mais do que 10, 000 artigos acadêmicos foram publicados sobre o material. Mas dessas publicações, apenas Adamson discute um processo proprietário para a fabricação de grafeno em sua forma original.

O que outros estão chamando de "grafeno" geralmente é na verdade óxido de grafeno que foi reduzido química ou termicamente. O oxigênio no óxido de grafeno fornece uma espécie de controle químico que torna o grafeno mais fácil de trabalhar, mas adicioná-lo ao grafeno puro reduz a mecânica do material, térmico, e propriedades elétricas em comparação com o grafeno não modificado, como o tipo que Adamson produz.

Também aumenta significativamente o custo de fabricação do material. A oxidação da grafite requer a adição de produtos químicos perigosos caros, como ácido sulfúrico anidro e peróxido de potássio, seguido por uma longa série de manipulações para isolar e purificar os produtos, conhecido como teste de química. O processo de Adamson não requer nenhuma etapa adicional ou produtos químicos para produzir grafeno em sua forma original.

"A inovação e tecnologia por trás de nosso material é a nossa capacidade de usar uma abordagem orientada pela termodinâmica para desempilhar o grafite em suas folhas de grafeno constituintes, e, em seguida, organize essas folhas em um contínuo, electricamente condutora, estrutura tridimensional ", diz Adamson." A simplicidade da nossa abordagem está em total contraste com as técnicas atuais usadas para esfoliar o grafite que dependem de oxidação agressiva ou mistura ou sonicação de alta energia - a aplicação de energia sonora para separar partículas - por longos períodos de tempo. Por mais simples que seja o nosso processo, ninguém mais havia relatado isso. Provamos que funciona. "

Logo após os experimentos iniciais do estudante de graduação Steve Woltornist indicaram que algo especial estava acontecendo, Adamson foi acompanhado por um colaborador de longa data, Andrey Dobrynin, da Universidade de Akron, que ajudou a entender a termodinâmica que impulsiona a esfoliação. Seu trabalho foi publicado no jornal revisado por pares da American Chemical Society ACS Nano .

Uma característica distintiva do grafeno que parece um obstáculo para muitos - sua insolubilidade - está no cerne da descoberta de Adamson. Uma vez que não se dissolve em líquidos, Adamson e sua equipe colocam grafite na interface de água e óleo, onde as folhas de grafeno se espalham espontaneamente para cobrir a interface e diminuir a energia do sistema. As folhas de grafeno estão presas na interface como individuais, folhas sobrepostas, e pode ser subsequentemente travado no lugar usando um polímero reticulado ou plástico.

Adamson começou a explorar maneiras de esfoliar o grafeno do grafite em 2010 com uma bolsa da Força Aérea para sintetizar compostos termicamente condutores. Isso foi seguido em 2012 com o financiamento de um prêmio de subsídios de conceito inicial para pesquisa exploratória (EAGER) da National Science Foundation (NSF). Desde então, ele também recebeu uma bolsa de US $ 1,2 milhão do programa NSF Designing Materials para revolucionar e projetar nosso futuro e US $ 50, 000 do programa do Fundo de Comercialização de Tecnologia SPARK da UConn.

"O trabalho do Dr. Adamson fala não apenas da preeminência do corpo docente da UConn, mas também para as aplicações potenciais de suas pesquisas no mundo real, "diz Radenka Maric, vice-presidente de pesquisa da UConn e UConn Health. "A Universidade está comprometida com programas como o SPARK, que permitem ao corpo docente pensar sobre o impacto mais amplo de seu trabalho e criar produtos ou serviços que irão beneficiar a sociedade e a economia do estado."

Grafeno para dessalinização de água

Embora os materiais compostos de grafeno estabilizado tenham inúmeros usos potenciais em campos tão variados quanto aeronaves, eletrônicos, e biotecnologia, Adamson escolheu aplicar sua tecnologia para melhorar os métodos padrão de dessalinização de água salobra. Com seu financiamento SPARK, ele está desenvolvendo um dispositivo que usa seus materiais nanocompósitos de grafeno para remover o sal da água por meio de um processo chamado deionização capacitiva, ou CDI.

CDI depende de baixo custo, alta área de superfície, eletrodos porosos para remover o sal da água. Existem dois ciclos no processo de CDI:uma fase de adsorção em que o sal dissolvido é removido da água, e uma fase de dessorção em que os sais adsorvidos são liberados dos eletrodos interrompendo ou invertendo a carga nos eletrodos.

Muitos materiais foram usados ​​para criar os eletrodos, mas nenhum provou ser um material viável para comercialização em grande escala. Adamson e seus parceiros da indústria acreditam que é simples, barato, e o material robusto pode ser a tecnologia que finalmente traz o CDI ao mercado de uma forma importante.

"O produto que estamos desenvolvendo será um material de grafeno barato, com desempenho otimizado como um eletrodo, que poderá deslocar mais caro, materiais menos eficientes usados ​​atualmente no CDI, "diz Michael Reeve, um dos sócios de Adamson e veterano em várias startups de sucesso.

A equipe formou uma startup chamada 2-D Material Technologies, e solicitaram uma bolsa de pesquisa para inovação em pequenas empresas para continuar a comercializar a tecnologia de Adamson. Eventualmente, eles esperam se juntar ao Programa de Incubação de Tecnologia da UConn para levar seu conceito ao mercado.