Em 2004, dois cientistas da Universidade de Manchester conduziram um experimento aparentemente simples com consequências potencialmente transformadoras no mundo. Os pesquisadores, Andre Geim e Konstantin Novoselov, brincavam com o grafite, a coisa na ponta do lápis.
O grafite é feito de folhas superfinas de carbono puro empilhadas umas sobre as outras. Geim e Novoselov queriam ver se conseguiam isolar uma única folha de grafite, uma camada impossivelmente fina de carbono com apenas um átomo de espessura.
Em 2010, Geim e Novoselov compartilharam o Prêmio Nobel de Física pela descoberta do grafeno, e pesquisadores de todo o mundo começaram a clamar por maneiras de usar este "super material" notável para construir baterias mais poderosas e duradouras, microchips mais rápidos, circuitos flexíveis, biossensores implantáveis e mais.
Uma década depois, o grafeno ainda não cumpriu suas promessas tão prometidas, mas os especialistas estão confiantes de que finalmente veremos smartphones, carros elétricos e sensores usando tecnologia baseada em grafeno nos próximos anos.
Por que o grafeno é um super material?
Medindo apenas um átomo de espessura, uma folha de grafeno possui todos os requisitos de um super material:
- O grafeno é 200 vezes mais resistente do que o aço.
- É 1.000 vezes mais leve que o papel.
- É 98% transparente.
- Conduz eletricidade melhor do que qualquer outro material conhecido à temperatura ambiente.
- Ele pode converter luz em qualquer comprimento de onda em uma corrente.
- E, por último, mas não menos importante, o grafeno é feito de carbono, o quarto elemento mais abundante no universo, então não é provável que se torne escasso.
O grafeno obtém seus superpoderes de sua estrutura. Se você pudesse aumentar o zoom, veria que uma folha de grafeno parece um favo de mel em escala atômica. Os átomos de carbono individuais são dispostos em um padrão hexagonal que se assemelha a uma tela de arame. Cada átomo de carbono em uma folha de grafeno é covalentemente ligado a três outros itens de carbono, o que dá ao material sua incrível resistência.
Por que o grafeno conduz eletricidade tão bem? Novamente, por causa da forma como esses átomos de carbono estão ligados.
Cada átomo de carbono tem quatro elétrons em sua camada externa, mas apenas três desses elétrons são compartilhados com seus três átomos de carbono vizinhos. O elétron restante é chamado de elétron pi e é livre para se mover no espaço tridimensional, o que permite que ele transmita cargas elétricas através da folha de grafeno quase sem resistência.
Na verdade, o grafeno é o condutor de eletricidade mais rápido à temperatura ambiente de qualquer substância conhecida.
Como o grafeno pode transformar a tecnologia?
A supercondutividade ainda está a décadas de distância, mas produtos revolucionários à base de grafeno estão chegando ao mercado muito mais cedo, diz Andrea Ferrari, professor de nanotecnologia e diretor do Cambridge Graphene Centre.
"Por volta 2024, haverá uma variedade de produtos de grafeno no mercado", diz Ferrari, "incluindo baterias, fotônica, câmeras de visão noturna e muito mais".
Os consumidores aguardam ansiosamente as baterias à base de grafeno há anos. As baterias de íon de lítio em todos os nossos dispositivos são relativamente lentas para carregar, perdem sua carga rapidamente e queimam após um determinado número de ciclos. Isso porque o processo eletroquímico que alimenta as baterias de íons de lítio gera muito calor.
Mas como o grafeno é o condutor elétrico mais eficiente do mundo, ele produz muito menos calor ao carregar ou descarregar eletricidade.
As baterias baseadas em grafeno prometem velocidades de carregamento cinco vezes mais rápidas do que as de íon-lítio, vida útil três vezes maior da bateria e cinco vezes mais ciclos antes de precisarem ser substituídas.
Empresas de eletrônicos como Samsung e Huawei estão desenvolvendo ativamente baterias à base de grafeno para smartphones e outros dispositivos, mas as primeiras chegarão ao mercado em 2021.
Quanto às baterias de grafeno em carros elétricos - o que poderia aumentar drasticamente seu raio de direção - ainda levarão alguns anos para serem desenvolvidas. Toda uma indústria foi construída com tecnologia de íon de lítio e não mudará da noite para o dia.
Existem algumas baterias baseadas em grafeno no mercado, incluindo alguns carregadores com fio e sem fio de uma empresa chamada Real Graphene, mas isso é apenas a ponta do iceberg, diz Ferrari, que também é o diretor de ciência e tecnologia do Graphene Flagship, uma colaboração de 1 bilhão de euros da União Europeia para acelerar o desenvolvimento da tecnologia do grafeno.
Os parceiros de pesquisa da Flagship já estão fabricando baterias de grafeno que superam as melhores células de alta energia da atualidade em 20% da capacidade e 15% da energia. Outras equipes construíram células solares à base de grafeno que são 20% mais eficientes na conversão da luz solar em eletricidade.
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Outros usos do grafeno
Embora as baterias de grafeno possam ser as primeiras a chegarem ao mercado, os pesquisadores estão ocupados desenvolvendo inúmeras outras aplicações para este material milagroso.
Os biossensores são importantes. Imagine um chip incrivelmente fino e flexível que pode ser injetado na corrente sanguínea para monitorar dados de saúde em tempo real, como níveis de insulina ou pressão arterial. Ou uma interface de grafeno que envia sinais para o cérebro para detectar um ataque epiléptico próximo ou mesmo evitá-lo.
A fotônica é outro campo que já incorpora o grafeno. Ao integrar o grafeno em chips sensíveis à luz, as câmeras e outros sensores podem melhorar muito a sensibilidade até mesmo às ondas de luz mais fracas em todo o espectro visível e invisível. Isso não apenas melhorará a qualidade da imagem de câmeras e telescópios, mas também as imagens médicas.
A filtração é mais uma aplicação promissora do grafeno. Filtros simples de purificação de água construídos com polímeros de grafeno podem se ligar a contaminantes orgânicos e inorgânicos na água potável. Os pesquisadores do Graphene Flagship também criaram tecnologias de dessalinização baseadas em diodos de grafeno que podem remover mais de 60% do sal da água do mar para fins agrícolas e outros.
Todos esses desenvolvimentos levarão tempo, mas Andrea Ferrari está confiante de que o grafeno viverá de acordo com o esperado. Na verdade, ele está igualmente animado com as propriedades ainda não descobertas dos estimados 2.000 outros materiais de monocamada que também estão sendo isolados.
"Dizemos grafeno, mas na verdade estamos falando de um grande número de opções que estão sendo exploradas", diz Ferrari. "As coisas estão indo na direção certa".
Traduzido e adaptado por equipe Conhecimento Agora
Fonte: HowStuffWorks
