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Grafeno: Aplicaes eTendncias Tecnolgicas
Karla Acemano de Jesus; Estevo Freire*; Maria Jos O. C. GuimaresDepartamento de Processos Orgnicos, Escola de Qumica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro. E-mail: *[email protected]
Submetido em 30/06/2012; verso revisada em 07/09/2012; aceito em 21/09/2012
Resumo
O grafeno na atualidade um dos mais promissores nanomateriais em estudo no mundo, devido s suas
excelentes propriedades eltricas, trmicas e pticas. Considera-se que o grafeno constitui a base de toda a
famlia de materiais de carbono, com exceo do diamante. Para a sua produo diversos mtodos tm sidopesquisados; entretanto, tais mtodos precisam ser aperfeioados e o escalonamento ainda constitui um
gargalo para o setor produtivo. Neste trabalho so abordadas as principais tcnicas de produo de grafeno e
aplicaes tecnolgicas com base em estudos de prospeco tecnolgica em artigos cientficos, bancos de
documentos de patentes e grupos de pesquisa cadastrados no Conselho Nacional de Desenvolvimento
Cientfico e Tecnolgico (CNPq). Os resultados mostraram a existncia de diversos grupos atuantes em
instituies de ensino e pesquisa e o crescimento do nmero de patentes concedidas no mundo.
Palavras-chave: grafeno, prospeco tecnolgica, patentes.
Abstract
Graphene is currently one of the most promising nanomaterials being studied in the world due to its excellent
electrical properties, thermal and optical properties. It is considered that graphene is the basis for the whole
family of carbon materials, with the exception of diamond. For its production several methods have been
studied; however, such methods need to be improved and the scaling is still a bottleneck for the productive
sector. This paper discusses the main techniques of production and technological applications of graphene-
based studies of technological forecasting in scientific articles, databases, patent documents and research
groups registered in the National Council for Scientific and Technological Development (CNPq). The results
showed the existence of several groups working in educational institutions and research and the growing
number of patents granted worldwide.
Keywords: graphene, technological prospecting, patents.
INTRODUO combinaes desejadas, tais como microscopia
A nanotecnologia vem revolucionando o mundo eletrnica de alta resoluo e a espectroscopia e
cientfico e tecnolgico nos ltimos 20 anos (BORSCHIVER espalhamento da luz visvel (SOLDANO et al. 2010).
et al. 2005). O estudo da nanotecnologia compreende o
desenvolvimento e construo de estruturas a partir dos Na rea de engenharia de materiais, as
tomos. Existem diversas tcnicas e ferramentas nanoestruturas de carbono tm desempenhado um
disponveis para promover e amplificar a capacidade de papel significativo, devido diversidade de suas formas
manipular tomos e molculas nas quantidades e estruturais e propriedades peculiares em aplicaes tais
Artigo Tcnico
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como aditivos de materiais cermicos, plsticos e txtil, sendo a distncia entre esses retculos igual a 3.35 e o
bi osensores para diagn st icos ou marcadores comprimento da ligao entre os tomos de carbono de
fluorescentes, alm de dispositivos elet rnicos 1.42 (SOLDANO et al. 2010) conforme mostra a Figura 2.
(KHOLMANOV et al. 2010 e LADEIRA, 2006). O grafeno,
altropo do carbono recentemente isolado considerado
o bloco de construo bsico para as nanoestruturas de
carbono, com exceo do diamante. Uma folha de
grafeno manipulada de formas diferentes pode
transformar-se em outras formas de carbono (BALUCH et
al. 2008).
O termo grafeno foi usado pela primeira vez em
1987, mas a definio oficial foi dada pela International
Union of Pure and Appplied Chemistry (IUPAC) em 1994.
Em 2004, pesquisadores conseguiram isolar pequenos
fragmentos esfoliados a partir de grafite e aps anlises
de caracterizao verificaram que se tratava de uma
estrutura de uma nica camada de tomos de carbono Cada tomo tem um orbital no plano s e dois no
(PEI et al. 2010). plano p , que contribuem para a estabilidade mecnica da
A Figura 1 apresenta a estrutura do grafeno como folha de carbono. Os orbitais p restantes, perpendiculares
bloco bsico de construo para quase toda a famlia de e orientados para o plano molecular, cruzam-se para
altropos de carbono. Os fulerenos e nanotubos de formar as bandas de conduo e de valncia, que causam
carbono podem ser visualizados como sendo uma folha os fenmenos de conduo planar (SOLDANO et al. 2010).
de grafeno enrolada, formando uma esfera e sobre oprprio eixo formando um cilindro, respectivamente. O 1.1. Principais Mtodos de Produo
grafite, no entanto, pode ser descrito como uma pilha de At o momento, amostras de grafeno tm sido
folhas de grafeno deslocados alternadamente. feitas usando mtodos de microesfoliao qumica,
A estrutura do grafeno composta de tomos de microesfoliao mecnica e deposio qumica a vapor.2
carbono sp ligados e dispostos em um retculo Cada um desses mtodos tem vantagens e desvantagens
bidimensional. A rede pode ser vista como composta de em termos de faci lidade de uso, qualidade e
dois subretculos interpenetrados em forma triangular,
FIGURA 2
FIGURA 1 escalonamento (INOVAO TECNOLGICA, 2010). Microesfoliao Mecnica (SOLDANO et al. 2010)
A sntese por microesfoliao mecnica pouco
eficiente e envolve a retirada de camadas de um cristal de
grafite. A energia de interao entre as camadas de
grafeno na estrutura graftica da ordem de grandeza das
foras de Van der Waals. Esta fora considerada
suficientemente fraca e pode ser facilmente atingida com
o uso de uma fita adesiva para deslocar estas camadas. A
tcnica consiste em friccionar com uma ponta afiada de
vidro micropilares de grafite e em seguida depositar o
m a t e r i a l o b t i d o e m u m l o c a l d e s e j a d o .
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Em uma verso mais sofisticada utilizado um sobre substratos slidos. Nesta tcnica, dois mecanismos
microscpio de fora atmica, cujo cantilever est diferentes podem ocorrer: a decomposio trmica de
acoplado a uma mola preparada para controlar a presso carbetos, ou o crescimento suportado em substratos
e a fora de cisalhamento na esfolilao do material de metlicos por deposio qumica a vapor. Como
grafite. exemplos, tem-se o crescimento de grafeno em superfcie
Uma vantagem desta tcnica a possibilidade de metlica de niquel pela passagem de gs monxido de
escolher a localizao da deposio do grafeno. carbono e em superficie de carbeto de silcio por
Geralmente nesta tcnica monocamadas de grafeno so sublimao de silcio a 1670K.
depositadas em um substrato de Si/SiO (camada de xido Este um mtodo de baixo custo e produz2
de 300 ou 90 nm). A principal desvantagem que pode dispositivos de alto desempenho, oferecendo uma
deixar resduos de cola da fita adesiva na amostra, por alternativa atraente capaz de produzir grafeno em larga
isso, necessrio uma etapa de tratamento trmico de escala.
reduo para remover os resduos orgnicos.
Microesfoliao Qumica (SOLDANO et al. 2010 e 1.2. Aplicaes
LAMMERT et al. 2009) A importncia na investigao e aprofundamento
A m i c r o e s f o l i a o q u m i c a p r o d u z o nas pesquisas sobre grafeno est baseada no fato da
enfraquecendo da fora de Van der Waals com insero tendncia de mercado para os prximos anos apontar
de reagentes no espao entre as camadas. O consumo para produo em escala industrial de nanomateriais e
desses reagentes promove uma sobrepresso com aplicaes em diversas reas. Alm de possuir
formao de gases provocando o rompimento parcial da propriedades eletrnicas excepcionais, as propriedades2 2 2 3rede sp -sp gerando uma folha sp -sp com menor trmicas e mecnicas e de alta condutividade do grafeno
estabilidade. A rota mais rpida e segura para obteno oferecem indstria de nanomateriais uma alternativa
do xido de grafite disperso mergulhar grafite em uma potencial ao silcio e ao diamante em aplicaes taismistura de cido sulfr ico, nit rato de sdio e como, condutores transparentes, eletrodos flexveis e
permanganato de potssio a 45C por 2h. O espaamento transparentes para clulas de energia solar ou de cristal
entre as camadas 0,70 nm e depende do lquido, transistores de efeito de campo, sensores de
teor de gua em soluo. Nesta tcnica o material presso e ressonadores (FRAZIER et al. 2009 e SOLDANO
resultante uma mistura mal definida de grafeno e xido et al. 2010).
de grafeno. Devido as excelentes propriedades do grafeno,
A desvantagem deste mtodo a modificao este aparece como substituto em potencial do silcio na
qumica que ocorre na estrutura do grafite com a indstria de microeletrnica. A tendncia de mercado dos
converso de grande frao da configurao carbono- fabricantes de chips de silcio dobrar o nmero de2 3carbono sp em sp . Como resultado, o xido de grafeno transistores em um chip a cada 18 meses, o que no pode
mostra d iferentes pro priedades eletrnicas se ser mantido com o uso do silcio, haja vista que este
comp ar ad o que las do g ra fe no o bt ido po r elemento perde estabilidade em escala nanomtrica. A
microesfoliao mecnica ou deposio qumica a vapor. alternativa para substituio do silcio at poucos anos
preciso adicionar uma etapa de tratamento de reduo atrs eram os nanotubos de carbono, que alm de ser
qumica para tentar recuperar as propriedades uma tecnologia sofisticada e cara, apresenta dificuldades
especficas do grafeno. de se produzir nanotubos homogneos, condio
Deposio Qumica a Vapor (SOLDANO et al. 2010) necessria para a produo de chips (FOLHA DE SOEste mtodo conhecido desde o incio dos anos PAULO, 2010).
1970 e baseia-se na obteno do grafeno diretamente Pesquisadores demonstraram que o grafeno
chega a cerca de
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definida utilizando a palavra-chave graphene noMETODOLOGIA subcampo title, objetivando selecionar apenas
Os estudos prospectivos cada vez mais se tornam documentos que tratassem do grafeno como assunto
componentes fundamentais na gesto da inovao. Os principal da inveno patenteada.
resultados provenientes de prospeco tecnolgica alm A Figura 3 apresenta a evoluo da tecnologia do
de estimularem a estruturao dos sistemas de inovao, grafeno no perodo entre 2004 e 2011.
servem tambm de base para melhorar a capacidade de Desde sua obteno em 2004 a quantidade de
prever aes futuras em diversos setores industriais. Os patentes concedidas apresentou um crescimento
estudos prospectivos esto evoluindo de questes extraordinrio, enquanto que no ano 2004 um nicom er a m en te t e c n o l g i c as p a ra a b o rd a g en s registro de patente foi localizado.
organizacionais do desenvolvimento da cincia e A partir de 2007 o nmero de patentes
tecnologia (ZACKIEWICZ et. al., 2005), contribuindo na concedidas se torna representativo. De 2007 para 2008 a
tomada de deciso dasorganizaes. quantidade de patentes concedidas sobre grafeno
Com o objetivo de mapear o desenvolvimento praticamente dobrou. De 2008 a 2009 ocorreu um grande
tecnolgico do grafeno foi utilizada a tcnica de salto, de 15 para 118 registros de patentes, aumento de
Monitoramento e Sistemas de Inteligncia atravs da quase 700%. Nos perodos de 2009 para 2010 e de 2010
anlise de patentes. para 2011 observa-se tambm a duplicao no nmero
Neste trabalho foi utilizado o banco de dados de de registros de patentes. Enquanto em 2009 foram
documentos de patentes Espacenet atravs do site do localizados 118 registros, em 2010 foram 289; j em 2011
' E u r o p e a n P a t e n t O f f i c e ' , E P O . essa quantidade foi igual a 398 registros.
O Espacenetoferece acesso gratuito a mais de 70 A distribuio anual da quantidade de patentes
milhes de documentos de patentes em todo o mundo, concedidas comprova o grande avano em pesquisas e
contendo invenes e desenvolvimentos tcnicos de de se nv ol vi me nt o de ss e na no ma te ri al co mo
1836 at hoje. oportunidade de mercado e para gerao de novas
tecnologias.
RESULTADOS E DISCUSSO Mapeamento dos Grupos de Pesquisa Brasileiros
Prospeco Tecnolgica em Grafeno Com base na pesquisa realizada no banco deA busca por patentes concedidas em grafeno foi dados do Conselho Nacional de Desenvolvimento
FIGURA 3absorve 2,3% de luz incidente
numa faixa de frequncias que
vai do infravermelho ao
ultravioleta.
E x i s t e a i n d a a
possibilidade de construir
prottipos de transistores feitos
de pontos qunticos de grafeno,
apontando esta l inha de
i n v e s t i g a o p a r a o
desenvolv imento de uma
eletrnica de base inteiramente
molecular (CINCIA HOJE, 2010).
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Cientfico e Tecnolgico (CNPq) no Brasil existem cerca de A USP possui o grupo de pesquisa Grupo de
12 grupos de pesquisa atuantes na rea de grafeno. Esses Tecnologias Avanadas de Gravao para Nano-, Micro- e
grupos esto concentrados nas Universidades e Meso-Sistemas. A linha de pesquisa Nanossensores em
destacam-se a Universidade Federal de Minas Gerais Grafeno visa a aplicao em nanotecnologia para o
(UFMG), Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), desenvolvimento de nanossensores de meios lquidos.
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) e A Comisso Nacional de Energia Nuclear (CNEN)
Universidade de So Paulo (USP). Dentre as instituies possui um Grupo de Pesquisa chamado Manipulao
que apresentam linhas de pesquisas em grafenos esto a Qumica de Nanotubos de Carbono e Grafenos. As linhas
Comisso Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e o de pesquisa so Esfoliao qumica de grafites em
Instituto Nacional de Metrologia Normalizao e grafenos, Funcionalizao de nanotubos de carbono e
Qualidade Industrial-RJ (INMETRO). grafenos' e 'Separao de nanotubos e grafenos.
A Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG O objetivo o desenvolvimento de rotas de
possui trs grupos com linhas de pesquisa especficas em esfoliao qumica de diferentes tipos de grafites em
grafeno. Os pesquisadores do grupo Espectroscopia e folhas e fitas de mono ou poucas camadas de grafeno; o
Imagem Espectroscpica de Nano-Materiais tem uma estudo de interaes covalentes e no-covalentes de
linha de pesquisa intitulada 'grafeno e nano-grafite', cujo grupos e molculas superfcie dos nanotubos e grafenos
objetivo estudar as propriedades pticas do grafeno e (visando modificao de suas propriedades) e a
do nano-grafite para aplicaes em biotecnologia. separao de nanotubos e de grafenos (utilizando
O grupo Laboratrio de Nanomateriais tem a tcnicas de centrifugao).
linha de pesquisa Produo e Transporte eltrico em O Instituto Nacional de Metrologia (INMETRO)
grafeno e nanofitas de grafeno para o desenvolvimento criou um grupo de pesquisa denominado Metrologia de
de dispositivos para sensores de gs e Crescimento Materiais e Nanotecnologia. A linha de pesquisa Teoria
eptaxial de grafenos para o estudo do crescimento Quntica de Campos Aplicada ao estudo do Grafenocontrolado de grafenos focalizando as propriedades estuda o uso da teoria quntica de campos no
eletrnicas e pticas. O grupo ptica de Nanomateriais desenvolvimento de semicondutores.
possui linha de pesquisa intitulada Grafeno e grafite.
Na UFRJ foi criado o grupo Teoria da Matria CONSIDERAES FINAIS
Condensada que apresenta a linha de pesquisa 'Grafeno O grafeno um altropo do carbono e vem
e nanotubos de carbono', com objetivo de investigar as revolucionando o mundo da nanotecnologia com suas
propriedades estruturais, eletrnicas, vibracionais, propriedades eltricas e mecnicas excepcionais. Vrios
magnticas, pticas e de transporte do grafeno. mtodos tm sido utilizados para a produo de grafeno.A UNICAMP possui dois grupos de pesquisa: o Entretanto, tais mtodos precisam ser aperfeioados e o
Grupo de propriedades pticas e magnticas de slidos escalonamento ainda constitui um gargalo para o setor
e o M od el ag em Co mp utac io na l da Ma tri a produtivo. Alm disso, a maioria dos mtodos de
Condensada. O primeiro grupo oferece a linha de caracterizao empregados para as tcnicas de de
pesquisa Grafeno e grafite para o desenvolvimento de microesfoliao mecnica e deposio qumica a vapor,
Novos Materiais. O segundo grupo tem linha de pesquisa necessitam da transferncia do grafeno para um
intitulada Nanoestruturas de Carbono e estuda substrato especfico, o que diminui a eficincia da
principalmente as propriedades estruturais e eletrnicas caracterizao. Portanto, mtodos de identificao
das nanofitas de grafeno visando o entendimento de rpidos e eficazes precisam ser desenvolvidos (DONG e
processos fsicos envolvendo defeitos estruturais e CHEN, 2010).
dopantes. Empresas como a Graphene Supermarket e
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