Desde a sua descoberta inicial em 2004 por dois professores da Universidade de Manchester, o grafeno causou grande impacto na comunidade científica. Os seus descobridores ganharam o Prémio Nobel em 2010 pelo desenvolvimento da ideia – depois começou a corrida para encontrar formas de a produzir e aplicar. Roop Mahajan, professor Lewis A. Hester em Engenharia Mecânica na Virginia Tech, contribuiu com um avanço significativo nessa corrida.



O grafeno possui atributos incomparáveis ​​– é 200 vezes mais forte que o aço, mas mais leve que o papel e exibe propriedades mecânicas únicas. Em microescala, ele assume a forma de redes de carbono em forma de hexágono com espessura de apenas um átomo.

Devido às suas propriedades únicas, o grafeno tem múltiplas aplicações:

• É forte o suficiente para adicionar resistência a danos às carrocerias de carros e aviões.
• Formulado como uma tinta, o material eletricamente condutor pode ser impresso em papel ou roupas, abrindo a porta para eletrônicos vestíveis.
• Incorporado nas baterias, reduz o tempo de carregamento e aumenta a potência.
• Suas propriedades antimicrobianas têm um futuro promissor como agente antimicrobiano.
• Transformado em uma membrana, pode ser usado para filtrar água.

A equipe de Mahajan tem integrado o grafeno em materiais e tecnologias existentes para aumentar sua resistência sem adicionar muita massa extra, construindo uma abordagem prática para aproveitar as propriedades únicas do grafeno. O esforço produziu inúmeras formas inovadoras de incorporar o grafeno em produtos de uso diário, levando o material ao seu pleno potencial.

Tornar-se mais ecológico e mais econômico

Como o grafeno consiste principalmente em carbono, os pesquisadores devem começar com um material naturalmente rico em carbono. A grafite, o principal componente da grafite do lápis, é a escolha usual porque sua composição é carbono quase puro.

Como o grafeno é uma folha de material com a espessura de um átomo, sua produção requer uma quantidade significativa de processamento. A técnica mais popular é uma versão modificada de uma abordagem conhecida como Método de Hummer e utiliza ácido sulfúrico, permanganato de potássio, nitrato de sódio e peróxido de hidrogênio em vários estágios. Três desses quatro produtos químicos são considerados perigosos.

Mas o grupo de Mahajan reinventou um método mais sustentável para obter grafeno não a partir da grafite, mas do carvão, reduzindo drasticamente o número de produtos químicos agressivos para apenas um:o ácido nítrico. Com menos produtos químicos perigosos e menos eliminação para gerir, esta abordagem reduz o impacto ambiental, bem como o risco para os investigadores.

Substituir o grafite como fonte primária do material do futuro traz benefícios. A maior parte da grafite é proveniente da China, tornando a sua cadeia de abastecimento um tanto incerta. Além disso, o grafite é um ingrediente crítico nas baterias, e o aumento acentuado na procura global de baterias reduziu significativamente essa oferta.

Embora o carvão contenha uma percentagem mais baixa de carbono – 60 a 80% versus uma composição de quase 100% no grafite – o método de produção menos perigoso da equipa promete um futuro melhor para o ambiente. Esta mudança também poderá abrir portas a uma economia do carvão que diminuirá rapidamente em todo o mundo, devido em grande parte à sua contribuição para o aquecimento global quando o carvão é queimado.

Além dos benefícios ambientais, há bônus econômicos. A equipe de Mahajan produz grafeno que é 10 a 15 vezes mais barato que os métodos anteriores, criando um fornecimento de custo mais baixo que poderia estimular novas inovações no mercado e ajudar na comercialização.

“Reduzir o custo de produção do grafeno é crucial para aproveitar plenamente as suas propriedades excepcionais e acelerar a sua ampla adoção em diversas aplicações, catalisando potencialmente o desenvolvimento de novos mercados e indústrias”, disse Mahajan.

Moedores, bolinhas de gude e ácido

No processo único de Mahajan, a jornada para sintetizar o grafeno começa com o processo meticuloso de triturar pedaços brutos de carvão para criar um pó grosso. O pó é colocado em um grande cilindro que contém bolinhas brancas de diferentes tamanhos e depois enrolado. As bolinhas de gude trituram e esmagam o pó, reduzindo ainda mais seu tamanho. O pó moído em esfera é então quimicamente despojado de impurezas, como sulfitos metálicos e cinzas.

O carvão moído e purificado é então colocado em um banho de ácido nítrico, que converte o carvão em óxido de grafeno. O ácido é drenado e o carbono que não reagiu é removido, resultando em pó de óxido de grafeno, que pode então ser convertido em grafeno por tratamento térmico. Esta é a substância que foi misturada com adesivos, silício, vidro e metal para produzir novos tipos de materiais compósitos para diversas aplicações.

A equipe de Mahajan demonstrou desempenho superior do carvão em relação ao grafeno derivado de grafite. O trabalho inovador resultou em um fluxo constante de publicações, incluindo uma na revista Carbon .

Este artigo detalhou o novo processo da equipe e demonstrou a superioridade do grafeno derivado do carvão no desenvolvimento de sensores altamente sensíveis para separar e detectar aptâmeros de DNA de fita simples. Esses sensores são amplamente utilizados em diagnósticos, terapêutica, segurança alimentar e diversas indústrias devido à sua capacidade de se ligar a moléculas-alvo específicas com alta afinidade e especificidade.

A equipe na Índia

Expandir a compreensão de um novo material e de um novo processo exige uma equipe ampliada, e Mahajan sabia exatamente a quem recorrer, graças ao seu papel de liderança na área de pesquisa global da Virginia Tech.

Mahajan é o diretor de pesquisa estratégica e inovação da VT Índia, o que lhe dá uma linha direta para impulsionar a inovação. Esta equipe de cientistas, com sede em Chennai, na Índia, tem sido fundamental para a expansão do empreendimento do grafeno.

Esse trabalho produziu um artigo na ACS Applied Nanomaterials focando no papel do óxido de grafeno como nanocarga na melhoria do desempenho mecânico de polímeros reforçados com fibra de vidro. E a equipe está explorando ativamente outras aplicações potenciais, incluindo

• Soluções para cicatrização de feridas
• Sensores vestíveis de íons de potássio e ureia
• Inibição de corrosão de barras armadas em concreto
• Tecnologias para produção de hidrogénio verde

Embora o desenvolvimento de novas tecnologias crie um ambiente científico estimulante, Mahajan está focado em mais do que apenas inovação. A redução dos riscos ambientais e o aumento da produção do “material maravilhoso” têm uma implicação mais profunda:melhor qualidade de vida para todos. Uma utilização mais inteligente da energia, materiais mais fiáveis ​​e opções abundantes para os cuidados de saúde, todos se unem a essa causa.

“Este amplo espectro de aplicações exemplifica o notável potencial das tecnologias de grafeno derivado do carvão na remodelação das indústrias e na melhoria de vidas em escala global”, disse Mahajan.

Mais informações: Anushka Garg et al, Síntese simplificada de óxido de grafeno de diferentes carvões e sua aplicação potencial na melhoria do desempenho mecânico de nanocompósitos GFRP, ACS Applied Nano Materials (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c03197
Fornecido por Virginia Tech