GRAFENO: PROPRIEDADES, PROCESSAMENTO E APLICAÇÕES

Msd. XXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 2020 XXXXXXX GRAFENO: PROPRIEDADES, PROCESSAMENTO E APLICAÇÕES Monografia apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de XXXXXXXXX pelo curso XXXXXXXXX. Data: ___________________________ Resultado: _______________________ BANCA EXAMINADORA Prof. Assinatura _______________________ Prof. Assinatura _______________________ Prof. Não há dúvida de que as pesquisas na escala do nanômetro estão mudando a tecnologia atual, o que está causando impacto em todo o mundo. Por causa do grande potencial das nanotecnologias, fazer previsões fantásticas sobre o futuro é “fácil”, principalmente após a descoberta do grafeno. O grafeno, que tem a espessura de um átomo de carbono, é um dos materiais mais revolucionários que se acredita ter desenvolvido devido as suas excelentes propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, ópticas, entre outras (GEIM; NOVOSELOV, 2007; GEIM, 2009). Estas propriedades sugerem que o grafeno substituirá muitos materiais em diversas aplicações.

Entretanto, essas propriedades podem ser combinadas em um único material e o grafeno pode também originar várias tecnologias disruptivas. These properties suggest that graphene will replace many materials in a variety of applications. However, these properties can be combined into a single material and graphene can also give rise to several disruptive technologies. It is an area that has contributed to the economic growth of several countries. Nanoscience and nanotechnology promise innovations in everything. Given this, the content is to foster knowledge about graphene, as well as its extensive and future use, since the material is of great value in many cases, and to demonstrate, through bibliographic research, how innovative this raw material is. METODOLOGIA 14 1. REFERENCIAL TEÓRICO 14 2 HISTÓRIA E ORIGEM 15 2. PROPRIEDADES 15 2. Propriedades Elétricas 15 2. Propriedades Térmicas 16 2.

EXPANSÃO DO GRAFENO 30 2. Europa 30 2. América 31 2. Ásia 33 2. Oceania 34 2. JUSTIFICATIVA O grafeno é um material que tem despertado interesse em pesquisas das mais diversas áreas do conhecimento. Devido as suas excelentes propriedades físico-químicas, mecânicas, térmicas, elétricas e ópticas, podem ser utilizadas em sistemas que abrangem desde dispositivos eletrônicos a células de energia solar. As pesquisas na área de nanociência e nanotecnologia trazem conhecimentos e aplicações que influenciam no cotidiano de toda a sociedade, desde a miniatuziração de componentes eletrônicos até ao desenvolvimento de cosméticos. A descoberta do Grafeno foi um importante avanço na área da nanociência, sendo este determinante influente para o desenvolvimento da ciência e de tecnologias modernas, pois permite significante evolução de componentes em diversas áreas, resultando em avanços significativos com o seu uso.

OBJETIVOS Neste capítulo são descritos o objetivo geral do presente trabalho, bem como os objetivos específicos que nortearão o presente trabalho. Pode ser produzido por meio da extração de camadas superficiais do grafite, um mineral abundante na Terra e um dos mais comuns alótropos do carbono (NASCIMENTO, 2013). O rumo de pesquisas para conhecer propriedades de estruturas simples de carbono se deu início no século XIX, ainda com os minerais comuns de grafita. Os estudos pioneiros com a grafita datam de 1840, quando o alemão Schafhaeutl produziu um grafite intercalado e esfoliado com ácido sulfúrico e ácido nítrico. A ideia nesses experimentos era manter a estrutura da grafita, mas aumentar o espaçamento entre as lamelas. BOEHM & STUMPP, 2007). O grafeno também tem um efeito de campo elétrico ambipolar à temperatura ambiente, sendo mais uma característica importante.

Isso quer dizer que quando a estrutura está sob polarização positiva (aplicando-se uma tensão), acontece a promoção de elétrons e assim, a banda de condução se torna mais populosa. Quando está sob polarização negativa, ocorrem buracos na banda de valência. Com isso, a resistência do grafeno depende da tensão aplicada e apresenta um valor mínimo para cada valor de tensão aplicada. De cada lado do valor mínimo de resistência, a condutividade varia linearmente com a tensão aplicada (BOEHM & STUMPP, 2007; NOVOSELOV et al. Então, já que o diamante, grafite e nanotubos de carbono têm propriedades mecânicas tão boas, é esperado que o grafeno se assemelhasse a esta situação. No entanto, há uma dificuldade experimental de se medir as propriedades mecânicas do grafeno devido às suas dimensões nanométricas, sendo que os métodos convencionais não conseguem sair do macroscópico.

Assim, diversos métodos, como simulações numéricas, são utilizados para se determinar as propriedades mecânicas do grafeno. Utilizando a nanoindentação, relatou-se que o grafeno, livre de defeitos, apresenta módulo de Young de 1,0 TPA e resistência à fratura de 130 Gpa. Um “papel” feito de óxido de grafeno apresentou módulo de Young de cerca de 30 Gpa e resistência à fratura de cerca de 120 Mpa (NASCIMENTO, 2013). Esfoliação Mecânica A esfoliação mecânica é o método que possibilitou o isolamento do grafeno pelaprimeira vez e que é utilizado até hoje. Nesse método, é utilizado uma fita adesiva repetidamente para realizar a esfoliação do grafite de alta pureza. Em seguida, alguns flocos capturados são transferidos para a superfície de um disco de silício/óxido de silício sendopossível verificar a existência do grafeno por meio de um microscópio atômico.

IIJIMA, 1991) Esta abordagem apresenta boa confiabilidade e proporciona a obtenção de amostras de grafenoque são praticamente livres de defeitos. Entretanto, a sua principal desvantagem é que ela não possibilita a produção de grafeno em larga escala. XU et al. Deste modo, por meio da decomposição térmica de hidrocarbonetos ou segregação de átomos de carbono sobre a superfície de catalisadoresmetálicos como Ni (GAMO et al. Pt (LAND et al. Ru (MARCHINI; GUNTHER; WINTTERLIN; 2007), Ir (GALL; RUT’KOV; TONTEGODE, 2004), seguida de um processo de resfriamento, asespécies de carbono precipitam sobre a superfície do metal ocorrendo a nucleação e ocrescimento para formar o grafeno, como ilustrado na Figura 3, sendo que o número dascamadas de grafeno formadas dependem diretamente da taxa de resfriamento.

XU et al. O termo alótropo refere-se à formação de várias substâncias a partir de um único elemento químico, como por exemplo o carbono, ele permite a formação de outros materiais. As estruturas compostas por este elemento, que difere apenas quanto à configuração espacial a hibridização específica do carbono e as ligações estabelecidas com os átomos ao seu redor irão determinar a natureza do alótropo, podendo este ser, um nanotubo de carbono, fulereno, grafeno, grafite ou diamante (FERNANDES,2012). ÁREAS DE APLICAÇÕES Desde a descoberta do grafeno em 2004, por pesquisadores da Universidade de Manchester, Andre Geim e Konstantin Novoselov, as aplicações desse material vêm sendo trabalhadas e com inúmeras possibilidades. Estes pesquisadores avançaram tanto que ainda lhes rendeu o Nobel de Física em 2010 e o grafeno se tornou o material do futuro, sendo muito comentado, inclusive com especulações de mais de 50 aplicações revolucionárias.

A superfície do grafeno puro normalmente interage com outras moléculas via adsorção física (π-π interações). Assim, os transistores à base de grafeno podem melhorar o desempenho nas aplicações de radiofrequência, devido à elevada mobilidade eletrônica observada no grafeno. O grafeno também é visto sendo implementado como substrato de sensores, abrangendo a variedade possível de detecção, incluindo moléculas biológicas, gases e compostos orgânicos e inorgânicos, aplicação que avança nos trabalhos de eletroquímica para detecção de energia, detecção de glicose, maltose, dopamina, ácido úrico, aminoácidos, DNA, etc. Isso é possível devido as propriedades condutoras e transparência do grafeno (VIEIRA & VILAR, 2017). Os supercapacitores são uma classe de dispositivos eletroquímicos para armazenamento e liberação de energia rápida e reversivelmente.

Um supercapacitor de alto desempenho deve ter alta densidade de energia e ciclo de vida ultralongo. Para superar este problema, o grafeno pode ser a solução, já que possui maior área superficial, é melhor condutor e tem melhores propriedades eletrônicas. Então novamente, os eletrodos de grafeno aparecem com uma aplicação importante, podendo substituir os de grafite, atualmente utilizados (VIEIRA & VILAR, 2017). Estas foram apenas algumas aplicações importantes que o grafeno pode oferecer, principalmente no campo da energia e na tecnologia do futuro. Existem algumas mais faladas e mais práticas, as quais a Figura 4 apresenta muito bem. Figura 4 - Aplicações potenciais mais práticas do grafeno Fonte: CODEMIG, 2016. Na Universidade de Xangai foi criado um papel antibactérias para embalar alimentos, feito à base de grafeno. Fabricar camisinhas.

A Fundação Bill e Melinda Gates tem dois projetos para a fabricação de preservativos com grafeno, devido a sua impermeabilidade. Tatuar dentes. Na Universidade de Princeton está sendo desenvolvido uma pesquisa que teria como objetivo uma tatuagem no dente composta de um sensor de grafeno para monitorar a saúde bucal. Recarregar baterias. Na Universidade da Califórnia, Richard Kaner mostrou baterias de smartphones e notebooks que recarregam em até 10 segundos. Melhorar a internet. Nas Universidades de Bath e Exeter, experimentos apresentaram interruptores óticos de grafeno que aumentam até 100 vezes a velocidade de transmissão de dados. Sensores. Na Universidade de Harvard e Massachusetts Institute of Technology, pesquisadores utilizaram água, eletricidade, DNA e grafeno para um novo método de sequenciamento de material genético. GRAFENO COMO INOVAÇÃO Como mostrado pelos pesquisadores da área, o grafeno possui um grande potencial inovador.

Para melhor estudar sua aplicação e adoção pelo mercado, é importante estudá-lo como uma forma de inovação. Usualmente, as classificações de inovações analisam a tecnologia a partir de suas próprias características. Dadas as inúmeras possibilidades de aplicação do grafeno em virtude de suas características, optou-se por classificar esta inovação de acordo com suas aplicações. Além da inovação de produto, o grafeno pode ainda ser classificado como uma inovação de processo ao se introduzir novos conceitos e métodos no processo de produção, distribuição e comercialização do material. Isto ocorre devido à ausência de materiais bidimensionais na natureza, como apontado por Geim (2009), o que leva à necessidade de se desenvolver métodos eficientes e economicamente viáveis para sintetização do material, causando mudanças nos processos da organização de forma a acomodar a adoção do material.

Um exemplo de inovação de processo causada pela adoção do grafeno é apresentada por Ren e Cheng (2014), em que são descritos novos métodos desenvolvidos por organizações para a sintetização de grafeno de diversas qualidades, a determinados custos. O grafeno pode ainda ser considerado uma inovação ambiental, por permitir novas ideias e métodos para diminuir fardos ao ambiente, conceito definido por Rennings (2000). Pesquisadores e organizações estão em constante busca por formas de minimizar e reverter impactos negativos causados ao ambiente, e o desenvolvimento do grafeno não é uma exceção. Europa Um exemplo é a parceria entre o Instituto Hohenstein e as empresas alemãs Ionic Liquids Tecnologies (IoLiTec) e Fuchsuber Techno-Tex e as belgas Centexbel e Soieries Elite. Eles estão desenvolvendo uma pesquisa com a utilização do grafeno em uma aplicação têxtil, denominada GRAFAT (HOHENSTEIN, 2015).

A pesquisa explora o uso do grafeno na modificação dos tecidos usados nas roupas de proteção contra fogo. O uso deste material pode melhorar as propriedades retardadoras de chamas do tecido e funcionar como uma barreira física que previne a penetração do calor e dos gases. Tem potencial para prevenir a decomposição térmica do tecido e pode aumentar a resistência à abrasão e ruptura das fibras, podendo ser utilizada em Equipamentos de Proteção Individual (EPI) contra calor (HOHENSTEIN, 2015). Isso acontece com frequência em aeroportos, metrôs, eventos e sempre que pessoas se reúnem. Com a evolução da tecnologia para a fabricação de celulares, são desenvolvidos aparelhos com maior espaço no interior do dispositivo para uma bateria maior, de modo que o tempo de conversação ou o tempo de utilização da bateria seja maior, porém, isso reflete no aumento do tempo de recarga da bateria (ZAP; GO, 2015).

Devido à agilidade com que as pessoas querem seus aparelhos recarregados, a empresa desenvolveu um carregador que pode ser utilizado em qualquer celular ou tablet com porta Universal Serial Bus (USB) padrão que recarrega a bateria do celular em 5 minutos. Ele utiliza um super capacitor de grafeno, substituindo o alumínio que era usado, pois o grafeno pode ser encapsulado de forma pequena, é leve e apresenta baixo custo suficiente para ser transformado em um carregador de telefone a preços competitivos (ZAP; GO, 2015). América Um exemplo é a Lockheed Martin, empresa sediada em Bethesda (Estados Unidos), e que atua primordialmente no setor de segurança e aeroespacial. O resultado é um grafeno quase completamente livre das impurezas do grafite, óxido de grafeno ou metais de transição (GRAPHENE, 2015). Pela pureza do material, há uma vasta possibilidade de aplicações, o que gerará produtos de alto valor agregado devido à tecnologia embarcada (GRAPHENE, 2015).

Já a IBM, conhecendo o mercado promissor do grafeno, desenvolveu um receptor de rádio frequência (RF) em que os canais dos transistores são feitos de grafeno, assim como um circuito integrado com um receptor de grafeno para comunicações sem fio (IBM, 2015). A empresa possui mais de 200 patentes registradas no United States Patent and Trademark Office relacionadas ao grafeno (USPTO, 2015). Ásia Os pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia Gwangju na Coréia acreditam ter encontrado uma solução com base no grafeno para a necessidade dos veículos elétricos de baterias que suporte a recuperação e reutilização da energia que normalmente é desperdiçada quando os freios desaceleram o veículo. Em projetos semelhantes, os agentes de ligação iônica e poliméricos tinham sido utilizados.

A utilização de materiais poliméricos resulta na redução da velocidade de resposta do sensor e da sua sensibilidade (IRAN, 2012). A menor concentração de glicose que este sensor é capaz de detectar é de 0,06 micromolar e a incerteza nos resultados é menos do que 6% (IRAN, 2012). Outro exemplo é a empresa Qingdao Huagao Energy Technology, foi fundada em 2012 com um capital social de 300 milhões de yuans, tendo como base a alta tecnologia para a elaboração e desenvolvimento de pesquisas com grafeno. A companhia se concentra em novos materiais, promove o processo de industrialização do grafeno, explora as aplicações do grafeno e de produtos derivados relacionados a bateria íon-lítio, semicondutor, super capacitor, entre outros (QINGDAO, 2015). A empresa Metals of Africa (MTA) é situada na Austrália e a mesma foi fundada em 2012.

Seu objetivo atual é explorar e fazer avanços nos projetos em Moçambique, Gabão e Tanzânia. A MTA tem um foco duplo em grafite e metais básicos (zinco, chumbo e cobre), estando atualmente focada em dois projetos: grafite em Moçambique e zinco no Gabão (MTA, 2015). Este ano, a empresa conseguiu produzir óxido de grafeno e grafeno do grafite extraído do local que detém em Moçambique. Os testes feitos sugerem que o grafeno extraído possui baixo índice de defeito e que sua qualidade é comparável ao grafeno sintético (WAN, 2015). Porém, existem algumas iniciativas de universidades que tentam mudar essa história e inserir o país no cenário da tecnologia. Adiante serão expostos exemplos nacionais de investimentos na inserção do grafeno para melhorar a qualidade dos produtos, materiais e da vida das pessoas.

Um exemplo é o MackGrafe, um Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologia que foi idealizado e teve o investimento da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Suas atividades foram iniciadas em 2013, em São Paulo com uma verba inicial de aproximadamente US$ 15 milhões, que inclui a construção de um novo prédio e a contratação de cientistas. Seu objetivo é sintetizar o grafeno, caracterizá-lo e desenvolver dispositivos, principalmente relacionados à fotônica (MACKGRAFE, 2015). Estes motivos tornam os estudos sobre as empresas nano tecnológicas tão relevante. Em países como o Brasil, a exportação de commodities deve ser prioridade juntamente com os investimentos no desenvolvimento das tecnologias do futuro, como é o caso do grafeno e das nanotecnologias, que tem potencial para movimentar a economia, acelerar o crescimento do país e a intelectualidade dos cidadãos e profissionais.

Isto é presenciado nos países desenvolvidos que visam a criação de programas para o aumento da competitividade e o desenvolvimento econômico. As empresas apresentadas mostram o potencial que o grafeno tem no desenvolvimento de produtos que mudarão substancialmente diversos setores. Por meio dos dados apresentados pode-se relatar que em diversos países, tanto a busca pela produção em larga escala, como a inovação com o uso do grafeno se torna mais efetiva devido aos investimentos e a preocupação com o futuro existente tanto por parte do governo, como por parte das empresas e universidades. appliedgraphenematerials. com/products/graphenepowder/>. Acesso em: 22 set. ARAÚJO, Ana Rita. Na corrida pelo grafeno. BOEHM, H. P. STUMPP, E. Citation errors concerning the first report on exfoliated graphite. Carbon, v.

KIM, P. STORMER, H. L. Ultrahigh electron mobi lity in suspended graphene. Solid State Commun, v. SILVEIRA, Amélia. Métodos Quantitativos e Qualitativos: Um resgate teórico. Revista Interdisciplinar Científica Aplicada. v. n. R. RUT’KOV, E. V. TONTEGODE, A. Y. p. GEIM, A. Graphene: Status and Prospects. Science Magazine, v. p. p. HOHENSTEIN Institute. Press information. Disponível em: <http://www. hohenstein. nano. ir/index. php?ctrl=news&actn=news_ view&id=48452&lang=2>. Acesso em: 12 out. KIBARAN Resources. JANG, H. LEE, S. Y. KIM, J. M. p. LAND, T. A. MICHELY, T. BEHM, R. Disponível em: <http:// www1. folha. uol. com. br/fsp/cienciasaude/135890- mackenzie-investe-r-20-mi-em-centro-de-estudo-degrafeno. GRILL, A. AVOURIS, P. GHz Transistors from Wafer-Scale Epitaxial Graphene. Science, v. n. Disponível em: <http://mackgraphe. mackenzie. br/mackgraphe_ about.

html?&L=1>. Acesso em: 28 set. MIT Technology Review. Graphene supercapacitors ready for electric vehicle energy storage, say korean engineers. Disponível em: <http:// www. technologyreview. com/view/521651/ graphene-supercapacitors-ready-for-electricvehicle-energy-storage-say-korean-engineers/>. Esfoliação Química do Grafite Natural em mistura de solventes orgânicos: a obtenção de grafenos de poucas camadas. Dissetação de Mestrado CDTN, 2013. NOVOSELOV, K. S. GEIM, A. A. Science 306, 666, 2004 ORGANIZAÇÃO PARA COOPERAÇÃO ECONÔMICA E DESENVOLVIMENTO. Manual de Oslo: Diretrizes para Coleta e Interpretação de Dados sobre Inovação. ed. OCDE e Eurostat. Disponível em: <http://revistapesquisa. fapesp. br/2013/12/18/o-grafeno-e-seus-desafios/>. Acesso em: Acesso em: 27 set. PROACTIVE Investors. hgky. net/en/col. jsp?id=123>. Acesso em: 22 set. RAO, C. Int. v. p. REN, W. CHENG, H. New York: Free Press. SANTOS, Marcos. Brasil vai cair 2 posições para 9ª maior economia, diz FMI.

Disponível em: <http://exame. abril. Graphene Based Materials: Past, Present and Future. Progress in Materials Science, v. p. SLEEPYHEAD. Graphene. shtml>. Acesso em: 21 set. USPTO. Results of search in US patent collection for: graphene AND “International Business Machines Corporation”. Disponível em: <http://patft. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, v. No. p. WAN, Fan. Metals of Africa produces high-quality graphene from Mozambique site. Graphene-based electrodes for electrochemical energy storage. Energy & Environmental Science, v. p. ZAP & GO. Frequently asked questions. Nanoestruturas de carbono (Nanotubos, Grafeno): Quo Vadis?. Química Nova, v. No. p. ZHANG, L.