Em 2010, Geim e Novoselov ganharam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho com o grafeno. Essa premiação deixou uma marca profunda em muitas pessoas. Afinal, nem toda ferramenta experimental premiada com o Nobel é tão comum quanto fita adesiva, e nem todo objeto de pesquisa é tão mágico e fácil de entender quanto o grafeno, um "cristal bidimensional". O fato de um trabalho realizado em 2004 ter sido premiado em 2010 é raro nos últimos anos.
O grafeno é um tipo de substância constituída por uma única camada de átomos de carbono dispostos de forma compacta em uma estrutura hexagonal bidimensional semelhante a um favo de mel. Assim como o diamante, o grafite, o fulereno, os nanotubos de carbono e o carbono amorfo, é uma substância (substância simples) composta de carbono. Como ilustrado na figura abaixo, os fulerenos e os nanotubos de carbono podem ser vistos como estruturas enroladas a partir de uma única camada de grafeno, composta por várias outras camadas de grafeno. A pesquisa teórica sobre o uso do grafeno para descrever as propriedades de diversas substâncias simples de carbono (grafite, nanotubos de carbono e grafeno) já dura quase 60 anos, mas geralmente se acredita que esses materiais bidimensionais têm dificuldade em existir de forma estável isoladamente, existindo apenas aderidos à superfície de um substrato tridimensional ou no interior de substâncias como o grafite. Foi somente em 2004, quando André Geim e seu aluno Konstantin Novoselov conseguiram isolar uma única camada de grafeno do grafite por meio de experimentos, que a pesquisa sobre o grafeno alcançou um novo patamar.
Tanto o fulereno (à esquerda) quanto o nanotubo de carbono (no meio) podem ser considerados como sendo enrolados por uma única camada de grafeno, enquanto o grafite (à direita) é formado por múltiplas camadas de grafeno através da ligação da força de van der Waals.
Atualmente, o grafeno pode ser obtido de diversas maneiras, e cada método apresenta suas próprias vantagens e desvantagens. Geim e Novoselov obtiveram grafeno de forma simples. Utilizando fita adesiva transparente, disponível em supermercados, eles extraíram grafeno, uma folha de grafite com apenas uma camada de átomos de carbono, de um pedaço de grafite pirolítico de alta ordem. Esse método é conveniente, mas o controle não é tão bom, e apenas grafeno com tamanho inferior a 100 micrômetros (um décimo de milímetro) pode ser obtido, o que permite seu uso em experimentos, mas dificulta sua aplicação prática. A deposição química de vapor permite o crescimento de amostras de grafeno com dezenas de centímetros sobre a superfície metálica. Embora a área com orientação consistente seja de apenas 100 micrômetros [3,4], esse método tem se mostrado adequado para as necessidades de produção de algumas aplicações. Outro método comum é aquecer o cristal de carbeto de silício (SiC) a mais de 1100 ℃ no vácuo, de modo que os átomos de silício próximos à superfície evaporem e os átomos de carbono restantes sejam rearranjados, o que também pode obter amostras de grafeno com boas propriedades.
O grafeno é um novo material com propriedades únicas: sua condutividade elétrica é tão excelente quanto a do cobre e sua condutividade térmica é superior à de qualquer outro material conhecido. É extremamente transparente. Apenas uma pequena parte (2,3%) da luz visível incidente verticalmente é absorvida pelo grafeno, enquanto a maior parte o atravessa. Sua densidade é tão alta que nem mesmo átomos de hélio (as menores moléculas de gás) conseguem atravessá-lo. Essas propriedades extraordinárias não são herdadas diretamente do grafite, mas sim da mecânica quântica. Suas propriedades elétricas e ópticas singulares conferem-lhe amplas perspectivas de aplicação.
Embora o grafeno tenha surgido há menos de dez anos, já demonstrou diversas aplicações técnicas, algo muito raro nos campos da física e da ciência dos materiais. Materiais comuns levam mais de dez anos, ou até mesmo décadas, para sair dos laboratórios e chegar ao uso prático. Qual a utilidade do grafeno? Vejamos dois exemplos.
Eletrodo macio e transparente
Em muitos aparelhos eletrônicos, materiais condutores transparentes precisam ser usados como eletrodos. Relógios eletrônicos, calculadoras, televisores, telas de cristal líquido, telas sensíveis ao toque, painéis solares e muitos outros dispositivos não podem prescindir da presença de eletrodos transparentes. O eletrodo transparente tradicional utiliza óxido de índio e estanho (ITO). Devido ao alto preço e à oferta limitada de índio, o material é quebradiço e pouco flexível, e o eletrodo precisa ser depositado em uma camada intermediária a vácuo, o que encarece o processo. Há muito tempo, cientistas vêm buscando um substituto para ele. Além dos requisitos de transparência, boa condutividade e facilidade de preparação, se o material em si for flexível, será adequado para a fabricação de "papel eletrônico" ou outros dispositivos de exibição dobráveis. Portanto, a flexibilidade também é um aspecto muito importante. O grafeno é um desses materiais, sendo muito adequado para eletrodos transparentes.
Pesquisadores da Samsung e da Universidade de Chengjunguan, na Coreia do Sul, obtiveram grafeno com um comprimento diagonal de 30 polegadas por deposição química de vapor e o transferiram para um filme de tereftalato de polietileno (PET) de 188 micrômetros de espessura para produzir uma tela sensível ao toque baseada em grafeno [4]. Como mostrado na figura abaixo, o grafeno cultivado na folha de cobre é primeiro ligado com a fita de remoção térmica (parte transparente azul), em seguida a folha de cobre é dissolvida por método químico e, finalmente, o grafeno é transferido para o filme de PET por aquecimento.
Novo equipamento de indução fotoelétrica
O grafeno possui propriedades ópticas únicas. Apesar de ter apenas uma camada de átomos, ele pode absorver 2,3% da luz emitida em toda a faixa de comprimento de onda, do visível ao infravermelho. Esse valor não está relacionado a outros parâmetros do material do grafeno e é determinado pela eletrodinâmica quântica [6]. A luz absorvida leva à geração de portadores de carga (elétrons e lacunas). A geração e o transporte de portadores de carga no grafeno são muito diferentes dos semicondutores tradicionais. Isso torna o grafeno muito adequado para equipamentos de indução fotoelétrica ultrarrápidos. Estima-se que tais equipamentos de indução fotoelétrica possam operar na frequência de 500 GHz. Se utilizados para transmissão de sinais, podem transmitir 500 bilhões de zeros ou uns por segundo, completando a transmissão do conteúdo de dois discos Blu-ray em um segundo.
Especialistas do Centro de Pesquisa Thomas J. Watson da IBM, nos Estados Unidos, utilizaram grafeno para fabricar dispositivos de indução fotoelétrica que podem operar na frequência de 10 GHz [8]. Primeiramente, flocos de grafeno foram preparados sobre um substrato de silício coberto com sílica de 300 nm de espessura pelo “método de rasgamento com fita adesiva”, e então eletrodos de ouro-paládio ou ouro-titânio com um intervalo de 1 mícron e uma largura de 250 nm foram fabricados sobre ele. Dessa forma, um dispositivo de indução fotoelétrica baseado em grafeno é obtido.
Diagrama esquemático do equipamento de indução fotoelétrica de grafeno e fotos de microscopia eletrônica de varredura (MEV) de amostras reais. A linha preta curta na figura corresponde a 5 micrômetros, e a distância entre as linhas metálicas é de um micrômetro.
Por meio de experimentos, os pesquisadores descobriram que este dispositivo de indução fotoelétrica com estrutura de metal-grafeno pode atingir uma frequência de operação de até 16 GHz e funcionar em alta velocidade na faixa de comprimento de onda de 300 nm (ultravioleta próximo) a 6 micrômetros (infravermelho), enquanto o tubo de indução fotoelétrica tradicional não responde à luz infravermelha com comprimento de onda maior. A frequência de operação do equipamento de indução fotoelétrica de grafeno ainda apresenta grande potencial de melhoria. Seu desempenho superior lhe confere uma ampla gama de aplicações, incluindo comunicação, controle remoto e monitoramento ambiental.
Como um novo material com propriedades únicas, a pesquisa sobre a aplicação do grafeno está em constante evolução. É difícil enumerá-las aqui. No futuro, poderemos encontrar tubos de efeito de campo feitos de grafeno, interruptores moleculares feitos de grafeno e detectores moleculares feitos de grafeno em nosso cotidiano... O grafeno, que gradualmente sai dos laboratórios, brilhará em nosso dia a dia.
Podemos esperar que um grande número de produtos eletrônicos utilizando grafeno apareça em um futuro próximo. Imagine como seria interessante se nossos smartphones e netbooks pudessem ser enrolados, presos às nossas orelhas, guardados em nossos bolsos ou presos aos nossos pulsos quando não estivessem em uso!
Data da publicação: 09/03/2022