Grafeno

O grafeno é uma forma alotrópica do carbono e consiste em uma única camada da estrutura da grafite, com a espessura de um único átomo de carbono. Pode-se imaginar o grafeno como um grande plano bidimensional de anéis hexagonais de carbono, praticamente infinito, os quais estão ligados por meio de ligações covalentes. O grafeno possui aplicações importantes no campo de tecnologia e medicina, sendo um material muito promissor.

O grafeno possui propriedades únicas, dentre as quais se destacam a boa resistência mecânica, a alta transparência, as boas condutividades térmica e elétrica, além da boa flexibilidade. É um material que pode ser extraído a partir da grafita, algo muito positivo para o Brasil, que possui a segunda maior reserva mundial desse mineral. Não à toa nosso país já conta com duas unidades industriais de produção de grafeno.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre grafeno
• 2 - O que é grafeno?
• 3 - Para que serve o grafeno?
• 4 - Fórmula do grafeno
• 5 - Propriedades do grafeno
• 6 - Características do grafeno
• 7 - Onde o grafeno é encontrado?
• 8 - Vantagens e desvantagens do grafeno
• 9 - Grafeno na área da saúde
• 10 - Produção de grafeno no Brasil
• 11 - História do grafeno
• 12 - Exercícios resolvidos sobre grafeno

Alotropia do Carbono

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Resumo sobre grafeno

• O grafeno é uma forma alotrópica do carbono e consiste em uma única camada da estrutura do grafite.
• Uma analogia possível é pensar no grafeno como um hidrocarboneto aromático policíclico de tamanho quase infinito.
• O grafeno pode ser aplicado em diversos campos tecnológicos, bem como na medicina, por conta de suas propriedades únicas e excepcionais.
• Dentre essas propriedades, destacam-se a alta condutividade elétrica, a alta condutividade térmica, a boa resistência mecânica e a sua flexibilidade.
• O grafeno foi isolado, estudado e caracterizado pela primeira vez em 2004, pelos cientistas Andre Geim e Konstantin Novoselov, laureados posteriormente com o Prêmio Nobel de Química de 2010 pelo feito.

O que é grafeno?

Segundo a União Internacional de Química Pura e Aplicada (Iupac), o grafeno consiste em uma única camada da estrutura da grafite, podendo-se descrever sua natureza fazendo uma analogia a um hidrocarboneto aromático policíclico de tamanho quase infinito. Assim sendo, como a grafite é uma forma alotrópica do carbono, o grafeno também o é.

Para que serve o grafeno?

As propriedades exemplares do grafeno, como baixo peso, condutividade elétrica e altas resistências mecânica e térmica, fazem com que tal composto seja aplicado e pesquisado para aplicação em diversos campos tecnológicos. O grafeno é, por exemplo, aplicado em dispositivos de armazenamento de energia, como baterias e supercapacitores, por conta de sua grande área superficial.

Nas baterias de íon-lítio, o grafeno é amplamente empregado como ânodo e possui uma capacidade de cerca de 1000 mAh/g, o que é o triplo do eletrodo de grafite. Além do mais, o grafeno permite a fabricação de baterias de maior durabilidade e com tempo de recarga menor. É a flexibilidade do grafeno que lhe permite ser utilizado como supercapacitor sólido em dispositivos eletrônicos.

Membranas nanoporosas de grafeno são aplicadas para filtração e dessalinização da água, com eficiência que pode variar de 33% a 100%, a depender do tamanho do poro e da pressão aplicada. O grafeno também vem sendo aplicado na fabricação de células fotovoltaicas, por conta de suas propriedades ópticas, mecânicas e elétricas. Seu uso pode aumentar a eficiência dessas células.

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Fórmula do grafeno

Sendo uma forma alotrópica do carbono, o grafeno não possui outros átomos em sua estrutura. A estrutura do grafeno possui a espessura de um único átomo de carbono, mas a quantidade exata de átomos não é precisada. Contudo, são contabilizados dois átomos de carbono para cada célula unitária de grafeno.

Propriedades do grafeno

A estrutura única do grafeno lhe confere importantes propriedades, das quais podemos citar:

• alta condutividade elétrica;
• alta condutividade térmica;
• boa transparência;
• boa resistência mecânica;
• flexibilidade inerente;
• enorme área superficial específica.

A ausência de defeitos na sua superfície ou altamente cristalina faz o grafeno ser, aparentemente, muito pouco reativo (quimicamente inerte). Porém, é possível aumentar a reatividade da superfície do grafeno ao se adicionar defeitos ou grupos funcionais, por meio de dopagem química, que permite inserir átomos como boro e nitrogênio, além da introdução de grupos funcionais.

Características do grafeno

O grafeno é nanomaterial de carbono, sendo uma folha planar, bidimensional, cuja espessura é de um único átomo de carbono. Os átomos de carbonos de grafeno estão ligados covalentemente entre si, numa hibridização sp². Dessa forma, pode-se pensar no grafeno como diversos anéis de benzeno ligados entre si, mas com átomos de carbono no lugar dos átomos de hidrogênio.

É considerada uma estrutura hidrofóbica, uma vez que não apresenta caráter polar significativo, dada a baixa diferença de eletronegatividade entre as ligações C−C. É também o material mais fino já conhecido, além de ser o mais forte. Um ponto importante é que o grafeno é visto como precursor das formas alotrópicas grafíticas do carbono: o fulereno, os nanotubos e o grafite.

Onde o grafeno é encontrado?

O grafeno é um material sintético, e um dos seus métodos de produção tem, como ponto de partida, o mineral grafita. Segundo o “U.S. Geological Survey”, destacam-se com reservas naturais de grafita, em ordem decrescente: China, Brasil, Madagascar, Moçambique, Tanzânia e Rússia. China e Brasil representam, somados, cerca de 53% de toda a reserva mundial.

Vantagens e desvantagens do grafeno

Embora as propriedades excepcionais e únicas do grafeno o tornem um material promissor, é possível também encontrar desvantagens não só nele, mas também em seus derivados, como o óxido de grafeno, uma forma oxidada do grafeno, rica em grupos funcionais oxigenados. Entre as vantagens do grafeno, temos as suas principais propriedades:

• alta condutividade térmica e alta condutividade elétrica;
• boa resistência mecânica;
• alta transparência;
• flexibilidade.

Contudo, entre suas desvantagens podemos citar:

• baixa interação com a água (é um material hidrofóbico);
• alto custo.
• produção ainda pequena.

Já o óxido de grafeno, embora seja um material mais hidrofílico, por conta da adição dos grupos funcionais de oxigênio, além de ser de baixo custo também, acaba tendo baixas conduções térmica e elétrica.

Grafeno na área da saúde

As aplicações biológicas do grafeno estão sendo cada vez mais estudadas, tudo por conta das interações entre o grafeno e as estruturas celulares. A principal propriedade que vem sendo estudada é a de transporte de moléculas de medicamentos, ou seja, a habilidade do grafeno (ou materiais derivados) de levarem compostos químicos para sítios específicos do corpo humano. Já se sabe, por exemplo, da capacidade de materiais de grafeno conseguirem chegar às proteínas e interagirem com estas.

Também se estuda a combinação de grafeno e compostos derivados na produção de biomateriais, a fim de reparar ou substituir tecidos e órgãos. Os avanços podem ser promissores, trazendo uma grande alternativa para os transplantes tradicionais, ao produzir materiais híbridos capazes de desempenhar a mesma função dos tecidos que foram substituídos.

O grafeno e seus derivados acabam se destacando, não só por conta da flexibilidade e propriedades mecânicas, mas também por conta da biocompatibilidade, podendo ser viável para reparação desde ossos até tecidos mais delicados.

Produção de grafeno no Brasil

O Brasil possui duas plantas industriais produtivas de grafeno. Uma delas, pioneira, é da estatal Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais, a Codemge, que é fruto do projeto MGgrafeno, que foi desenvolvido em parceria com a Universidade Federal de Minas Gerais, UFMG, e o Centro de Desenvolvimento de Tecnologia Nuclear, CDTN.

A produção, via esfoliação química do grafite, iniciou-se em 2018, entregando cerca de 150 kg por ano. Atualmente, trabalha no local uma equipe multidisciplinar, formada por químicos, físicos, engenheiros e biólogos, que consegue produzir cerca da 500 kg do material ao ano.

Já a outra unidade industrial é a UCSGraphene, oriunda de um projeto do Parque de Ciência, Tecnologia e Inovação da Universidade de Caxias do Sul, localizado no Rio Grande do Sul. Nessa fábrica, que começou em 2020, a produção inicial era estimada em 500 kg por ano, mas a expectativa é de que se cheguem a cinco toneladas anuais de grafeno, a depender do aumento da demanda. A UCSGraphene chegou a estabelecer parceria com a fabricante gaúcha de carrocerias de ônibus, Marcopolo, para que fossem fabricadas peças mais leves e resistentes.

História do grafeno

O termo “grafeno” já era conhecido há bastante tempo na Química, sendo utilizado para designar a peça-chave da construção de outras formas alotrópicas do carbono, como grafite, fulereno e os nanotubos. O sufixo “eno” se deu pela presença das ligações duplas (os carbonos possuem hibridização sp² no grafeno).

O grafeno já era teorizado desde o século XIX, porém, apenas em 2004 ele foi isolado e estudado, como uma lâmina cristalina de espessura de um único átomo de carbono, pelos cientistas Andre Geim e Konstantin Novoselov, a partir da grafite bruta e transferido para uma fina camada de dióxido de silício em um biscoito de silício.

Tal técnica permitiu a determinação das propriedades únicas do grafeno e uma rota de síntese viável, embora de baixo rendimento, delicada e demorada, conhecida como “esfoliação mecânica”. Por conta disso, Geim e Novoselov foram laureados com o Prêmio Nobel de Química de 2010.

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Exercícios resolvidos sobre grafeno

Questão 1

(UECE, 2ª Fase, 2º dia/2023.2) O Brasil possui cerca de 45% das reservas naturais de grafite do mundo. O grafite é a matéria prima do grafeno, cuja existência foi prevista na década de 1950 por Linus Pauling (1901 - 1994) e isolado em 2004 por Andre Geim e Konstantin Novoselov. O grafeno é um material de aplicações na dessalinização da água, em filtros para a redução de emissões de gás carbônico, na detecção de doenças, na fabricação de microchips e em baterias recarregáveis.

No grafeno,

(A) cada átomo de carbono está ligado a outros 4 átomos.

(B) a geometria da molécula é trigonal plana.

(C) as ligações entre carbonos são do tipo sigma sp-sp.

(D) a sua estrutura compacta o torna mau condutor de eletricidade.

Resposta: Letra B.

O grafeno é uma estrutura planar e bidimensional, com espessura de um único átomo de carbono. Além disso, todos os carbonos do grafeno possuem hibridização sp², cuja geometria, nesse arranjo, é trigonal plana.

Questão 2

(Mackenzie/2021) O grafeno é um nanomaterial composto por átomos de carbono que possui propriedades como alta condutividade térmica e elétrica, flexibilidade e elevada resistência mecânica. Essas características despertaram o interesse de diferentes setores industriais, que podem aplicar o material em uma ampla gama de produtos como baterias mais leves e com maior tempo de carga, smartphones com telas flexíveis, tintas anticorrosivas, plásticos e borrachas mais resistentes e condutores, ligas metálicas muito leves e tecidos e embalagens com barreira e dissipação térmica.

Disponível em: https://revistapesquisa.fapesp.br/grafeno-made-in-brasil/ Acesso em Jan/2021. (Adaptado)

A partir das informações do texto, o grafeno pode ser classificado como uma

(A) mistura eutética.

(B) mistura azeotrópica.

(C) mistura homogênea.

(D) substância composta.

(E) substância simples.

Resposta: Letra E.

Como o grafeno é uma forma alotrópica do carbono, possuindo apenas esse elemento em sua composição, é possível afirmar que ele é uma substância simples, ou seja, substâncias que são formadas por apenas um único elemento químico.

Fontes

CROP LIFE BRASIL. Tudo sobre o Látex: da seringueira até a borracha natural. Crop Life Brasil. 07 abr. 2023. Disponível em: https://croplifebrasil.org/noticias/fonte-de-latex-a-seringueira-e-uma-planta-de-alto-valor-para-a-industria/

FITCH, R. M. Polymer Colloids. Academic Press: Cambridge, EUA, 1997

GAWCHICK, S. M. Latex Allergy. Mount Sinai Journal of Medicine. v. 78, n. 5. p. 759-772, 2011.

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA. Produção de Borracha. IBGE. Disponível em: https://www.ibge.gov.br/explica/producao-agropecuaria/borracha-latex-coagulado/br

PIEROZAN, N. J. Fabricação de Artefatos de Látex. Dossiê Técnico. SENAI-RS: Porto Alegre, 2007.

RAULF, M. The Latex Story. History of Allergy. p. 248-255. vol. 100. Karger: Basel, Suíça: Karger, 2014.

WISNIEWSKI, A. Látex e Borracha. Faculdade de Ciências Agrárias do Pará: Belém, 1983.