O que é mais fino que um cabelo, mas mais forte que o aço?

Imagine um material mais forte que o aço, mais transparente que o vidro, e mais fino que um cabelo humano. Dica: não é kryptonite. Aida Rafat, uma engenheira assistente da ConocoPhillips que ganhou a final do Qatar do nosso concurso internacional de comunicação científica FameLab, explica.

O que é grafeno?

É o material mais extraordinário que, em teoria, deveria ser ficção científica. Tem inúmeras aplicações e propriedades fenomenais, e tem cientistas muito entusiasmados.

Esta substância maravilhosa bidimensional vem de uma fonte simples. O grafeno é o elemento básico da grafite, uma forma fundamental de carbono e um mineral abundante. A grafite é feita de milhares de camadas de grafeno que são empilhadas umas em cima das outras. Estamos familiarizados com ela como chumbo de lápis. Então, tecnicamente, cada pessoa que já desenhou uma linha com um lápis fez grafeno.

Como é que os cientistas o descobriram?

Por acidente. E foi tudo graças à fita adesiva. Em 2004, dois pesquisadores da Universidade de Manchester, André Geim e Kostantin Novoselov, estavam trabalhando no laboratório. Eles estavam investigando as propriedades elétricas do grafite, e decidiram usar fita adesiva para ver se conseguiam descascar flocos mais finos. Eles continuaram a descascar mais e mais camadas do floco de grafite clivado original, até que perceberam que tinham acabado com uma camada que era um único átomo grosso. O que eles tinham criado era grafeno, e mais tarde ganharam o Prêmio Nobel de Física 2010 por sua descoberta.

O que torna o grafeno tão especial?

O grafeno tem propriedades mecânicas, eléctricas, térmicas e ópticas incríveis e únicas.

Primeiro, é forte. As pessoas costumavam pensar que os materiais bidimensionais simplesmente se desfaziam. Mas, na verdade, o grafeno é o material mais forte que já foi testado: cerca de 200 vezes mais forte do que o aço. Uma rede feita de um metro quadrado de grafeno suportaria o peso de um gato volumoso de quatro quilos, mas pesaria apenas tanto quanto um dos bigodes do gato a 0,77 mg (cerca de 100.000 vezes mais leve que um metro quadrado de papel).

Segundo, apesar de sua tremenda força, o grafeno retém flexibilidade e elasticidade. Você pode dobrá-lo, e é transparente: ambas características muito importantes na eletrônica, pois significa que você poderia usá-lo para fazer telas de toque dobráveis e transparentes para computadores e dispositivos móveis.

Terceiro, ele conduz a eletricidade brilhantemente. Na verdade, os electrões movem-se mais rapidamente através do grafeno do que através de qualquer outro material testado. Os cientistas podem ‘dopar’ o grafeno adicionando ou removendo elétrons quimicamente a ele. Quanto mais elétrons forem adicionados a ele, mais corrente ele pode produzir. O grafeno ‘dopado’ poderia ser ainda melhor na condução de eletricidade do que o cobre.

Quarto, o grafeno é superimpermeável, então mesmo as mais pequenas moléculas como o hélio não podem entrar nele. Isto poderia ser uma característica muito importante, pois nos permitiria usar o grafeno para separar líquido e gás.

O que é diferente na estrutura do grafeno?

O grafeno tem uma estrutura muito única, como uma grade alveolar de átomos de carbono. O que é invulgar é como estes átomos interagem entre si.

Um átomo de carbono tem seis electrões, dos quais quatro se encontram na sua casca exterior, prontos para se ligarem a outros átomos para formar moléculas. Mas no grafeno, apenas três desses elétrons se ligam firmemente aos átomos vizinhos, criando uma ligação extremamente forte e apertada. O quarto elétron permanece sem ligação. Estes electrões não ligados comportam-se de forma muito diferente do habitual. Eles agem como partículas de luz, ou fotões, e na verdade movem-se à velocidade da luz acima da folha de grafeno, dando ao grafeno as suas propriedades eléctricas fenomenais.

Como é que o grafeno se parece?

Não podemos ver o grafeno a olho nu. É o material mais fino alguma vez descoberto. Uma folha de grafeno é 1.000 vezes mais fina do que um cabelo humano. Na verdade, os cientistas que a descobriram só conseguiram ver os flocos de grafeno porque os tinham colocado sobre uma pastilha de óxido de silício. Se tivessem usado outro material, talvez nem o tivessem visto.

O grafeno já está sendo usado para qualquer coisa?

Muitas grandes empresas, como a IBM e a Samsung, estão investigando de perto o grafeno. Um dos principais desafios que a indústria electrónica enfrenta neste momento é que estamos a ultrapassar os limites dos transístores de silício (que amplificam e conduzem sinais eléctricos). Em outras palavras, como podemos fazer transistores de silício cada vez menores, para que as empresas possam produzir telefones inteligentes, tablets e computadores cada vez mais finos e potentes?

O problema é que já atingimos o limite do que podemos fazer com transistores de silício. Só não podemos fazê-los menores. No entanto, com o grafeno, há um grande potencial para ir mais longe, e até mesmo para fazer telas tácteis e electrónicas transparentes.

Não são apenas computadores. Uma das aplicações comerciais atuais para incorporar o grafeno é uma raquete de tênis de uma empresa chamada HEAD. A raquete parece ser muito mais potente e muito mais leve – duas coisas essenciais a ter numa raquete de ténis ideal!

Para que mais poderia o grafeno ser usado no futuro?

A indústria dos transportes poderia misturar grafeno com um material composto existente, para fazer aviões e carros mais fortes e leves. Devido à sua impermeabilidade, o grafeno também seria um excelente material de revestimento para resistir à corrosão.

Põe uma camada de grafeno sobre plástico, e você tem um plástico condutor de eletricidade. Ou uma empresa de eletrônica poderia aproveitar a flexibilidade do grafeno e usá-lo para fazer uma pastilha que você poderia dobrar como um jornal, ou um pequeno telefone inteligente que você poderia colar à sua camiseta.

Graphene pode melhorar drasticamente a vida útil de uma bateria de lítio tradicional, diminuindo significativamente o tempo de carga. Pode ser usado para armazenar energia solar, ou para fazer supercapacitores (baterias gigantes usadas em carros elétricos e elevadores).

Os cientistas também estão falando sobre o uso de filtros de grafeno para dessalinização, para transformar água do mar em água potável, e como um sistema de distribuição de medicamentos para tratamento de câncer.

O grafeno é patenteado?

O patenteamento do grafeno é um dos tópicos mais debatidos na ciência. O grafeno em si não pode ser patenteado, pois é derivado do carbono – um material que ocorre naturalmente. Além disso, os cientistas conhecem o grafeno desde o século XX, apenas não sabiam como isolá-lo.

No entanto, muitas organizações têm dispositivos e processos de grafeno patenteados para produzir grafeno. Eu não sei se os dois cientistas que descobriram o grafeno ficaram ricos como resultado. Mas eles se tornaram extremamente famosos e ganharam o Prêmio Nobel. Seu artigo científico sobre a descoberta revolucionária do grafeno acabou sendo publicado em Science, e o próprio artigo foi listado nos 100 artigos mais citados de todos os tempos. Esta é uma conquista com que todo pesquisador científico sonha.

Aida Rafat é Engenheira Assistente na ConocoPhillips. Você pode vê-la competir nas finais internacionais do FameLab nos dias 8 e 9 de junho de 2016.