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Falhas do grafeno

Estudos começam a apontar problemas no material descoberto há 10 anos e que pode revolucionar o mundo dos eletrônicos. Vulnerabilidade na estrutura e potencial tóxico são alguns deles

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postado em 14/05/2014 16:00 / atualizado em 14/05/2014 10:48

Roberta Machado

Há uma década, nascia o grafeno, o primeiro cristal atômico de apenas duas dimensões — de tão fino, praticamente não tem espessura. A descoberta impressionou pela grande variedade de qualidades: condutividade, impermeabilidade, transparência e flexibilidade, todas somadas à maior força já registrada na natureza. Mas o chamado material do futuro ainda não chegou ao presente. Entre os obstáculos a serem superados antes de levá-lo ao mercado, estão o desenvolvimento de métodos de fabricação em massa e a redução dos custos. Além disso, agora, cientistas começam a apontar as primeiras fraquezas dessa rede de átomos de carbono.

Uma das principais características do material de duas dimensões é sua resistência, conhecida por ser maior que a do diamante. No entanto, um recente estudo norte-americano mostra que, no mundo real, o grafeno pode não ter um desempenho tão positivo quanto nos testes controlados de laboratório. Os pesquisadores queriam descobrir o que acontece se o material apresentar algum defeito de fabricação, nem que seja em apenas uma de suas ligações atômicas.

Eles criaram, então, uma microrrachadura em uma lâmina com apenas um átomo de espessura (medida que já provou ter força surpreendente em outros experimentos) e depois dobraram a chapa ao meio. Quando colocado sob pressão, o grafeno imperfeito perdeu grande parte de sua resistência. “O grafeno é forte considerando sua força de ligação intrínseca, mas não é resistente devido à má resistência a rachaduras”, conclui Jun Lou, professor de nanoengenharia na Universidade Rice, no Texas. A descoberta, publicada na revista Nature Communications, pode ajudar engenheiros a evitar problemas em eletrônicos flexíveis que podem sofrer falhas microscópicas em um modelo de fabricação em larga escala. “Espera-se que eliminar defeitos estruturais seja extremamente difícil para a fabricação de grafeno em grandes áreas”, ressalta Lou.

Gasto energético
A questão é crucial porque a expectativa é que o grafeno figure na lista de honra das matérias-primas de equipamentos eletrônicos, ao lado de grandes como o silício. O supermaterial já mostrou potencial para ser usado para a fabricação de tintas condutoras, telas sensíveis ao toque, papel eletrônico, displays OLED flexíveis, baterias de lítio, células solares e sistemas de comunicação de alto desempenho. “Esse material tem muito potencial, mas, ao mesmo tempo, a tecnologia do silício está bem estabelecida. Em um primeiro momento, é preciso mudar toda a matriz industrial. Nada impede, contudo, que, no futuro, o grafeno passe a ter espaço”, ressalta Antonio Gomes de Souza Filho, professor do Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará (UFC).

Outras análises, porém, indicam que algumas das características mais interessantes do cristal atômico não devem mostrar todo o potencial na fabricação em escala industrial. Testes em laboratório mostraram que, quando combinado com materiais de suporte que poderiam servir como estrutura em um dispositivo, o grafeno perde parte da sua condutividade térmica e pode até mesmo derreter. Outro dos empecilhos que separam os produtos de grafeno do consumidor é a ausência do chamado gap de energia, que permite o “desligamento” dos semicondutores. Dispositivos eletrônicos já foram fabricados a partir do material, mas eles desperdiçam muito mais energia do que os sistemas tradicionais.

Isso não significa que o cristal não seja útil para a indústria. É possível que a matéria-prima ainda seja adotada, mas com maior desempenho em casos específicos, projetados especialmente para ela. “O fato de não ter o gap é um problema para algumas aplicações, mas para outras é uma solução”, aponta Souza Filho. Alguns dos conceitos imaginados há 10 anos para o cristal milagroso talvez nunca cheguem ao mercado, mas também podem surgir ideias inesperadas conforme os cientistas entendam melhor como funciona esse material.

“Físicos viam o grafeno como uma grade perfeita de átomos de carbono. No entanto, o paradigma está mudando conforme a ciência abre novos caminhos para a tecnologia. Mas até mesmo camadas imperfeitas do grafeno podem ser usadas em certas aplicações”, aponta, em estudo publicado na revista Nature, Konstantin Novoselov, pesquisador da Universidade de Manchester que ganhou o Nobel da Física pelo seu trabalho com o grafeno.

Meio ambiente
Um derivado do supermaterial, o óxido de grafeno também tem aplicações possíveis em sensores, eletrodos ou dispositivos biomédicos. No entanto, ele pode se tornar um verdadeiro problema para o meio ambiente. Quando imersas na água, essas nanopartículas têm alta mobilidade, típica de um grande poluidor. Resíduos do material poderiam chegar a rios e lagos por meio de vazamentos acidentais de fábricas, por exemplo.

A descoberta foi feita por pesquisadores da Universidade da Califórnia, que publicaram um artigo na revista Environmental Engineering Science. Estudos anteriores já mostravam que o óxido de grafeno pode ser tóxico para humanos. “Governantes estão em uma ótima situação para garantir que nós maximizemos os benefícios do óxido de grafeno, reduzindo os impactos negativos para a sociedade”, alerta Jacob Lanphere, estudante da Universidade da Califórnia.

De acordo com ele, a indústria precisa ser proativa e promover aplicações sustentáveis com o desenvolvimento da tecnologia. Além do potencial poluidor, os pesquisadores devem se concentrar em descobrir como as nanopartículas interagem com bactérias e até mesmo o efeito da luz solar na toxicidade do material. “Não tenho dúvida de que o grafeno vai proporcionar vários benefícios para a humanidade em breve. No entanto, é importante estudar as implicações ambientais dessa nova nanotecnologia para implementá-la de forma sustentável”, defende Lanphere.

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