p O grafeno é conhecido por sua notável eletrônica, propriedades mecânicas e térmicas, mas a produção industrial de grafeno de alta qualidade é muito desafiadora. Uma equipe de pesquisa da Delft University of Technology (TU Delft, Holanda) desenvolveu agora um modelo matemático que pode ser usado para orientar a produção em grande escala dessas camadas ultrafinas de carbono. Os resultados foram publicados esta semana na Journal of Chemical Physics . p "Nosso modelo é o primeiro a dar uma visão detalhada do que acontece em micro e nanoescala quando o grafeno é produzido a partir de grafite simples usando mistura de fluido energético, "diz o Dr. Lorenzo Botto, pesquisador do departamento de Processo e Energia da TU Delft. “O modelo ajudará no desenho de processos de produção em larga escala, pavimentando o caminho para que o grafeno seja incorporado em aplicações comerciais, de dispositivos de armazenamento de energia à biomedicina. "

p Grafite e Grafeno

p O grafeno pode ser feito de grafite, que é uma forma cristalina de carbono puro, amplamente utilizado em lápis e lubrificantes, por exemplo. As camadas que compõem o grafite são chamadas de grafeno e consistem em átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonal. Essas camadas de carbono extremamente finas possuem notável eletricidade, mecânico, propriedades ópticas e térmicas.

p Uma única camada de grafeno é cerca de 100 vezes mais resistente do que o aço mais resistente da mesma espessura. Conduz calor e eletricidade de forma extremamente eficiente e é quase transparente. O grafeno também é intrinsecamente muito barato, se métodos escaláveis ​​para produzi-lo em grandes quantidades podem ser desenvolvidos. O grafeno tem atraído muita atenção na última década como um material candidato para aplicações em uma variedade de campos, como a eletrônica, geração e armazenamento de energia, e biomedicina. No futuro próximo, a fiação de cobre pode ser substituída em casas por cabos de grafeno, e os pesquisadores imaginam baterias totalmente de carbono que usam grafeno como o principal bloco de construção. Contudo, a fabricação de grafeno de alta qualidade em escala industrial e baixo custo permanece um desafio. Um novo modelo teórico e computacional desenvolvido na TU Delft aborda esse desafio.

p Produção de grafeno

p Uma das técnicas mais promissoras para produzir grafeno a partir do grafite é a chamada esfoliação em fase líquida. Nesta técnica, o grafite é cortado em um ambiente líquido até que as camadas de grafeno se separem do material a granel. O líquido faz com que as camadas de grafeno se desprendam suavemente, o que é importante para obter grafeno de alta qualidade.

p O processo já teve sucesso na produção de grafeno em laboratório, e em escalas maiores em uma base de tentativa e erro. Tem potencial para produzir toneladas de material em escala industrial. Contudo, a fim de aumentar a escala de produção de grafeno, os pesquisadores precisam conhecer os parâmetros do processo que fazem a esfoliação funcionar de forma eficiente, sem danificar as folhas de grafeno.

p Uma equipe de pesquisa da TU Delft liderada pelo Dr. Lorenzo Botto desenvolveu agora o primeiro modelo matemático rigorosamente derivado e validado para determinar esses parâmetros. Este modelo pode ser incorporado em software de otimização de processos industriais em grande escala ou usado por profissionais para escolher os parâmetros de processamento.

p "O processo de esfoliação é difícil de modelar, "explica Botto." A adesão entre as camadas de grafeno não é fácil de quantificar e as forças dinâmicas do fluido exercidas pelo líquido sobre o grafite dependem sensivelmente das propriedades da superfície e da geometria. "Os membros da equipe Catherine Kamal e Simone Gravelle desenvolveram e testaram o modelo contra simulações de dinâmica, e provou que é preciso. A chave para o sucesso do modelo é a inclusão de deslizamento hidronâmico do líquido empurrando contra a superfície de grafite, e das forças do fluido nas bordas do grafeno.

p Botto diz, "O modelo constitui a base para um melhor controle da técnica em qualquer escala. Esperamos que abra o caminho para a produção em larga escala de grafeno para todos os tipos de aplicações úteis. As forças do fluido podem ser usadas para produzir e processar o grafeno no escala exigida pelas aplicações de mercado. No entanto, para alcançar a prontidão para o mercado, precisamos de controle sobre a qualidade e os processos. Ao descobrir os princípios mecânicos de fluidos subjacentes, Meu objetivo é um impacto profundo em nossa capacidade de produzir nanomateriais de carbono bidimensionais em grandes escalas. "