Considerando o material do futuro até alguns anos atrás, o grafeno é hoje um insumo praticamente consolidado e disponível para testes em diferentes aplicações, sobretudo no desenvolvimento de compósitos poliméricos, que podem adquirir um pouco das suas excepcionais propriedades térmicas, mecânicas e elétricas a partir da adição de pequenas frações.

Como a sua obtenção não é mais um segredo, seu custo está caindo, o que muito provavelmente contribuirá para a sua popularização em um futuro bem próximo. Para se ter ideia, há cerca de dez anos o preço do material estava em torno de US$ 100/grama, ao passo que hoje está próximo de US$ 10/grama.

O grafeno faz parte de uma família de materiais de nanocarbono. Ele consiste em um arranjo bidimensional de átomos de carbono ligados entre si formando um padrão hexagonal semelhante a um favo de mel (foto à direita) que dá origem a uma açãote a um favo de mel (foto à moleculardireita) que dá origem a uma série de materiais denominados de acordo com o formato assumido por essa malha de hexágonos: o fulereno, por exemplo, apresenta formato esférico, enquanto os nanotubos apresentam formato cilíndrico. Tem como características gerais uma resistência mecânica cerca de 100 vezes maior que a do aço, flexibilidade e leveza, além de alta condutividade térmica e elétrica.

Ilustração mostrando as principais características da estrutura molecular do grafeno: o arranjo bidimensional e o padrão hexagonal formado pelas ligações entre os átomos

 

Origens e características

O material começou a ser estudado no final da década de 1990, e em 2004 dois pesquisadores da universidade de Manchester (EUA), Andre Geim e Kostya Novoselov, ambos de origem russa, conseguiram extraí-lo de uma amostra de grafite utilizando a técnica de esfoliação mecânica. Denominados desde então “pais do grafeno”, ambos ganharam em 2010 o Prêmio Nobel de Física pelo trabalho de investigação sobre o material. Simultaneamente, porém, já se realizavam em muitos outros países estudos sobre o grafeno. E o Brasil não foi exceção (veja o box abaixo).

As primeiras iniciativas por aqui também datam do final da década de 90, e mobilizaram uma extensa rede de pesquisa científica que capacitou o País a criar centros de desenvolvimento do material, os quais hoje estão preparados para fornecer tanto o insumo quanto a tecnologia para o seu uso, por meio de projetos integrando empresas e a academia.

De acordo com Guilhermino Fechine, especialista em nanocompósitos poliméricos à base de grafeno e membro do MackGraphe, laboratório de estudos desse material na Universidade Presbiteriana Mackenzie (São Paulo, SP), estudos teóricos e experimentais baseados em testes feitos em folhas individuais de grafeno indicam propriedades extremamente elevadas, tais como módulo de elasticidade (~1.000 GPa), resistência à fratura (~125 GPa), condutividade térmica (~ 5.000 Wm -1 K -1 ), extensa área superficial (valor calculado, ~ 2.630 m 2g -1 ), condutividade elétrica a temperatura ambiente superior à do cobre e impermeabilidade a moléculas gasosas, entre outras.

É possível obtê-lo por quatro principais processos: esfoliação química em fase líquida a partir do grafite, deposição química da fase vapor (CVD, de chemical vapour deposition), esfoliação micromecânica e crescimento de grafeno em carbeto de silício (SiC), sendo este último feito em um forno aquecido a temperaturas variando entre 1.500 e 2.000 oC, que promovem a sublimação do silício do substrato para que o carbono se reorganize, formando as monocamadas(1).

Além do uso na formulação de compósitos, materiais como o óxido de grafeno podem ser usados na produção de membranas filtrantes para água, eliminando solventes orgânicos, ou até mesmo misturas de gases. No setor de eletroeletrônicos o seu uso é promissor para a fabricação de baterias mais leves e com alta capacidade de carga.

 

O uso em formulações poliméricas

Extremamente funcional, o grafeno tem potencial para modificar muitos tipos de produto, tornando possível o desenvolvimento de, por exemplo, embalagens avançadas para alimentos, revestimentos supercondutivos ou altamente resistentes à corrosão, peças reforçadas para resistir a grandes esforços mecânicos e também materiais plásticos com significativa melhora da condutividade térmica.

De acordo com Fechine, pode ser adicionado a uma grande variedade de materiais, tais como poliolefinas, estirênicos (PS, ABS, SAN), TPU, PET e também biopolímeros como PLA, PCL e PBAT.

A compatibilidade do grafeno com diferentes tipos de materiais plásticos faz com que os formuladores de compostos sejam usuários e parceiros potenciais dos laboratórios de desenvolvimento. O quanto se transfere das suas propriedades para o material-matriz, porém, é um fator que depende de variáveis como grau de dispersão, teor empregado, qualidade do grafeno usado e, sobretudo, da expertise dos profissionais envolvidos na sua formulação.

A disposição de partículas em escala nanométrica confere ao grafeno a capacidade de fazer uma cobertura superficial muito grande, e por isso a sua adição aos compostos poliméricos ocorre em uma proporção menor do que a usada para cargas reforçadoras convencionais. Enquanto para estas são usadas normalmente frações de 2 a 3%, para o caso do grafeno bastam teores de 0,1 a 0,2% em massa de material puro. “Para se ter ideia, com três gramas de grafeno é possível cobrir um campo de futebol”, informou o pesquisador, lembrando que a dispersão do material é um grande desafio. Como ele reaglomera muito facilmente, a sua inserção na matriz polimérica foi um impasse que consumiu três anos de pesquisa no MackGraphe. “Todos os polímeros oferecem resistência à dispersão do grafeno, e por isso é necessário funcionalizá-lo de acordo com a matriz que o receberá, o que pode ser feito por meio de diferentes rotas químicas”, explicou.

Como o segredo para obter um composto de boa qualidade está no conhecimento das particularidades do grafeno quanto à dispersão, não observar este aspecto pode levar a resultados ruins, o que pode comprometer injustamente a reputação do material.

Desde sua criação o centro se dedica à pesquisa do grafeno e seus derivados, que fazem parte de uma classe de materiais denominada Materiais Bidimensionais (M2D). Além do grafeno, o grupo de Compósitos do MackGraphe vem se dedicando à aplicação de outros M2D que também apresentam propriedades muito singulares. Alguns exemplos deles são dissulfeto de molibdênio e nitreto de boro hexagonal.

Para se ter ideia do quanto o processo demanda em termos de conhecimento científico, a equipe que conduz as pesquisas sobre o uso do grafeno em formulações poliméricas no MackGraphe é formada por um reólogo (prof. Ricardo Andrade), um especialista em processamento e aditivação (prof. Guilhermino Fechine) e um químico de partículas (prof. Hélio Ribeiro), contando ainda com a contribuição dos alunos de mestrado/doutorado e pós-doc. Inaugurado em 2016, o laboratório produz hoje a quantidade de grafeno necessária para as suas pesquisas.

O MackGraphe não tem fins lucrativos, e está aberto a parcerias para que surjam dali produtos que garantam a sua continuidade. Uma primeira patente de produto desenvolvida em seus laboratórios deve sair este ano, fruto da parceria com uma empresa. Um acordo de confidencialidade, estabelecido com o respaldo da assessoria jurídica do Mackenzie, garante a reserva das informações.

Para o segmento de injeção, o MackGraphe já trabalhou com um poliuretano termoplástico (TPU) carregado com óxido de grafeno em parceria com a Case Western Reserve University (Ohio, EUA), gerando um produto de alta resistência à abrasão, com patente registrada nos Estados Unidos, podendo ser usado em diversos setores, tais como a fabricação de solados de tênis.

O grupo de pesquisa do centro também desenvolve a produção de masterbatches sob medida para diferentes polímeros. Nesse caso, o cuidado em evitar reaglomeração na preparação ainda é maior, devido aos altos teores usados na formulação.

Em razão de todo o conhecimento envolvido, a análise de viabilidade dos projetos é bastante criteriosa, e uma vez estabelecida, pode implicar inclusive a designação de uma equipe em regime de dedicação exclusiva.

Mais exemplos de uso potencial incluem peças injetadas que podem receber circuitos moldados em três dimensões a partir dos filamentos condutivos de grafeno, cujo desenvolvimento é parte de um projeto conduzido dentro do escopo do Horizon 2020 da União Europeia, um programa de investigação e inovação científica de grande porte, que visa transferir ideias inovadoras para o mercado daquele continente.

Imagem obtida por microtomografia de raios-X de um nanocompósito polimérico com óxido de grafeno, em que se verifica uma boa dispersão e distribuição das partículas. Fonte: MackGraphe

 

Maturidade tecnológica

De acordo com a pesquisadora Glaura Goulart Silva, professora do Departamento de Química da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e membro do Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno (CT Nano), as aplicações no setor de revestimento de tubulações para gás, aeronáutico e de mineração direcionam hoje a linha de pesquisa daquela instituição, que produz bateladas diárias do material para o desenvolvimento de escalaspiloto, pelos processos de CVD e esfoliação.

Com apenas 100 gramas do material é possível aditivar 10 quilos de polímero, atribuindolhe propriedades como resistência ao impacto, à corrosão, entre tantas outras. O CT Nano é capaz de entregar hoje masterbatches contendo grafeno a partir de polímeros-base como polietileno (PE) polipropileno (PP) e poliuretano termoplástico (TPU). “A tecnologia no Brasil já está demonstrada e já tem maturidade; falta a agressividade para se lançarem produtos baseados no grafeno”, afirmou Glaura, enumerando como potenciais produtos as embalagens de material eletrônico, que necessitem de dissipação eletrostática e peças cujo uso implique a blindagem eletromagnética, notadamente no setor de eletroeletrônicos e telecomunicações (tecnologia 5G, por exemplo).

O laboratório do CT Nano já produz filamentos para impressão 3D contendo grafeno baseados em ABS e PLA, além de fornecer nanotubos contendo óxido de grafeno, os quais serão objeto de depósito de patente em breve.

Parcerias com empresas levaram ao desenvolvimento de materiais termofixos passíveis de aditivação com o material, tais como as resinas epóxi com função de adesivo, usadas em juntas metálicas em pás eólicas. Neste caso, o material proporciona alta resistência à flexão e à fadiga ocasionada pelos fortes ventos a que as peças estão sujeitas em serviço.

O grafeno tem também o potencial de solucionar um dos pontos fracos dos compósitos termofixos reforçados com fibra de vidro, atuando como agente de acoplamento na interface fibra de vidro/resina epóxi. De acordo com a pesquisadora, sua adição aumenta em até 50% a resistência à delaminação, em comparação com resinas carregadas por métodos convencionais, além de melhorar a resistência à flexão e à fadiga. Glaura ressalta que é necessário atentar para a técnica de dispersão da carga, que é bastante trabalhosa e consome recurso. Mas, em geral, um aumento de 10 a 20% da resistência do compósito já justifica economicamente o uso do grafeno.

O CT Nano é aberto a parcerias com empresas que tenham planos de inserir o grafeno em sua cadeia de insumos, seja adquirindo-o já integrado aos polímeros ou elaborando projetos conjuntos, para os quais é possível obter financiamento via instituições de fomento como a Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), Empresa Brasileira de Pesquisa e Inovação (Embrapii), Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) e Banco de Desenvolvimento de Minas Gerais (BDMG).

A instituição possui hoje importantes parcerias com empresas como Petrobras, Magnesita e Nacional de Grafite, cujas pesquisas caminham no sentido de desenvolver e tornar viáveis comercialmente revestimentos para tubulações e a aditivação de polímeros. INCT-CN – inct.cnpq.br

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) ALENCAR, Eduardo; SANTANA, Delano. Processos de obtenção do grafeno, suas aplicações e sua importância para o Brasil. Centro de Pós-Graduação Oswaldo Cruz.

2) PIMENTA, Marcos; MONSERRAT, L. A. G.; FAGAN, S.B. . History and National Initiatives of Carbon Nanotube and Graphene Research in Brazil. Brazilian Journal of Physics, v. 49, p. 288-300, 2019.