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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DA PRODUÇÃO
GABRIEL FURTADO ENDLICH
ESTUDO SOBRE O GRAFENO E SUAS APLICAÇÕES
Espírito Santo
2016
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GABRIEL FURTADO ENDLICH
ESTUDO SOBRE O GRAFENO E SUAS APLICAÇÕES
Estudo sobre o grafeno apresentado à dis-ciplina "Principíos de ciência dos materiais",como parte dos requisitos necessários àobtenção da nota do trabalho.
Professor(a): Lorena Santos Bertranda
Disciplina: Princípios de Ciência dos Mate-riais
Turma: Turma 01
Espírito Santo
2016
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Sumário
1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Sobre o Grafeno e suas aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 História do Grafeno e as dificuldades em sua síntese . . . . . . . 5
2.3 Métodos da síntese do grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
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1 Introdução
O termo “grafeno” foi usado pela primeira vez em 1987, mas a definição 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 após análises de caracterização verificaram que se tratava de uma estrutura
de uma única camada de átomos de carbono.
Na atualidade, o grafeno é um dos mais promissores nanomateriais em es-
tudo no mundo devido às suas excelentes propriedades elétricas, térmicas e ópticas.
Considera-se que este material constitui a base de toda a família de materiais de
carbono, com exceção do diamante. Para a sua produção diversos métodos têm sido
pesquisados; entretanto, tais métodos precisam ser aperfeiçoados e o escalonamento
ainda constitui um gargalo para o setor produtivo.
Pelas suas propriedades, pode-se dizer da possibilidade que o grafeno possui
de substituir muitos materiais em diversas aplicações. Entretanto, essas propriedades
podem ser combinadas em um único material e o grafeno pode também originar várias
tecnologias disruptivas.
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2 Desenvolvimento
2.1 Sobre o Grafeno e suas aplicações
O grafeno é uma folha plana de átomos de carbono compactados em uma
grade de duas dimensões com espessura de apenas um átomo, reunidos em uma
estrutura cristalina hexagonal. A folha de grafeno pode formar uma esfera (fulereno) ou
um tubo (nanotubo). Se muitas dessas folhas forem empilhadas, resultará num grafite
tridimensional. O nome grafeno se constitui da junção do prefixo graf-, da palavra grafite,
com o sufixo -eno; o grafite em si consiste de múltiplas folhas de grafeno arranjadas
umas sobre as outras. O uso do termo “camada de grafeno” é também considerado paraa terminologia geral dos carbonos. Suas principais caracteristicas são: extremamente
resistente (mais do que o próprio diamante), flexível, com excelentes propriedades
térmicas, transparente, impermeável e com condutividade elétrica 100 vezes mais
rápida que o cobre.
Figura 1 – Estrutura do Grafeno
Todas essas características tornam o grafeno um elemento com um potencial
para revolucionar a tecnologia como a conhecemos. Podemos citar pelo menos 3 áreas
que o grafeno irá afetar diretamente, são elas: telecomunicações, eletrônica, energética.
Na área de telecomunicações podemos citar o uso do grafeno na fabricação de
telas flexíveis, não só telas como também baterias. Na parte de eletrônica já se estuda
a construção de transistores de grafeno que serão ainda menores que os atuais, já
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Capítulo 2. Desenvolvimento 5
possuindo dimensões microscópicas. No ramo energético, já foram propostas baterias
de grafeno, que conseguem ser carregadas mais rapidamente do que as atuais de lítio.
Figura 2 – Tela flexível feita com grafeno
No contexto da computação, o grafeno pode atuar das mais diversas formas, seja
aumentando o poder de processamento, já que é um melhor condutor de eletricidade e
esquenta menos; ou ainda melhorando o acesso a Internet considerando que o gargalo
atual é na parte de conversão da transmissão óptica para elétrica, sendo que o circuito
de grafeno é até 100 vezes mais rápido que um comum.
Devido as excelentes propriedades do grafeno este aparece como substituto
em potencial do silício na indústria de microeletrônica. A tendência de mercado dos
fabricantes de chips de silício é dobrar o número de transistores em um chip a cada 18
meses, o que não pode ser mantido com o uso do silício, haja vista que este elemento
perde estabilidade em escala nanométrica. A alternativa para substituição do silício até
poucos anos atrás eram os nanotubos de carbono, que além de ser uma tecnologia
sofisticada e cara, apresenta dificuldades de se produzir nanotubos homogêneos,
condição necessária para a produção de chips.
2.2 História do Grafeno e as dificuldades em sua síntese
É interessante considerar que todas as pessoas que já tenham usado um lápis
comum já tenham provavelmente produzido estruturas como o grafeno sem saber. Um
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Capítulo 2. Desenvolvimento 6
lápis contém grafite, e quando ele é movido sobre um pedaço de papel, o grafite é
rachado em camadas finas que acabam no papel e fazem o texto ou desenho que
estamos tentando produzir. Uma pequena fração destas camadas finas irá conter
apenas algumas camadas ou mesmo uma única camada de grafite, isto é, grafeno.
Deve ser mencionado que as estruturas como o grafeno já eram conhecidas
desde os anos 60, entretanto haviam dificuldades experimentais no isolamento de ca-
madas individuais de tal maneira que as medições eléctricas pudessem ser executadas
sobre eles, e havia dúvidas de que isso fosse praticamente possível.
Assim, a dificuldade não era para fabricar as estruturas de grafeno, mas para
isolar suficientemente grandes folhas individuais, a fim de identificar e caracterizar
o grafeno e verificar suas propriedades bidimensionais únicas. Isto é o que Geim,
Novoselov, e seus colaboradores conseguiram fazer.
A importância na investigação e aprofundamento nas pesquisas sobre grafeno
está baseada no fato da tendência de mercado para os próximos anos apontar para pro-
dução em escala industrial de nanomateriais e aplicações em diversas áreas. Além de
possuir formação de propriedades eletrônicas excepcionais, as propriedades térmicas
e mecânicas e de alta condutividade do grafeno oferecem à indústria de nanomateriais
uma alternativa potencial ao silício e ao diamante em aplicações tais como, condutores
transparentes, eletrodos flexíveis e transparentes para células de energia solar ou de
cristal líquido, transistores de efeito de campo, sensores de pressão e ressonadores.
2.3 Métodos da síntese do grafeno
Até o momento, amostras de grafeno têm sido folhas de grafeno têm sido feitas
usando métodos de microesfoliação química, microesfoliação mecânica e deposição
química a vapor. Cada um desses métodos tem vantagens e desvantagens em termos
de facilidade de uso, qualidade e escalonamento.
A síntese por microesfoliação mecânica é pouco eficiente e envolve a retirada decamadas de um cristal de grafite. A energia de interação entre as camadas de grafeno
na estrutura grafítica é da ordem de grandeza das forças de Van der Waals. Esta força
é considerada suficientemente fraca e pode ser facilmente atingida com o uso de uma
fita adesiva para deslocar estas camadas. A técnica consiste em friccionar com uma
ponta afiada de vidro micropilares de grafite e em seguida depositar o material obtido
em um local desejado.
Uma vantagem desta técnica é a possibilidade de escolher a localização da
deposição do grafeno. A principal desvantagem é que pode deixar resíduos de cola dafita adesiva na amostra, por isso, é necessário uma etapa de tratamento térmico de
redução para remover os resíduos orgânicos.
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Capítulo 2. Desenvolvimento 7
A microesfoliação química produz o enfraquecendo da força de Van Der Waals
com inserção de reagentes no espaço entre as camadas. O consumo desses reagentes
promove uma sobrepressão com formação de gases provacando o rompimento parcial
da rede sp²-sp² gerando uma folha sp²-sp³ com menor estabilidade. Nesta técnica omaterial resultante é uma mistura mal definida de grafeno e óxido de grafeno.
A desvantagem deste método é a modificação química que ocorre na estrutura
do grafite com a conversão de grande fração da configuração carbono-carbono sp² em
sp³. Como resultado, o óxido de grafeno mostra diferentes propriedades eletrônicas
se comparado àquelas do grafeno obtido por microesfoliação mecânica ou deposição
química a vapor. É preciso adicionar uma etapa de tratamento de redução química para
tentar recuperar as propriedades específicas do grafeno.
Deposição química a vapor baseia-se na obtenção do grafeno diretamente
sobre substratos sólidos. Nesta técnica, dois mecanismos diferentes podem ocorrer:
a decomposição térmica de carbetos, ou o crescimento suportado em substratos
metálicos por deposição química a vapor. Como exemplos, tem-se o crescimento de
grafeno em superfície metálica de níquel pela passagem de gás monóxido de carbono e
em superfície de carbeto de silíciopor sublimação de silício a 1670K. Este é um método
de baixo custo e produz dispositivos de alto desempenho, oferecendo uma alternativa
atraente capaz de produzir grafeno em larga escala.
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3 Conclusão
É possível afirmar que são muitos os benefícios que o grafeno, interligado com
as nanotecnologias, gerará à humanidade, desde a formação de profissionais, desen-
volvimento de novos produtos e processos, melhoria na qualidade de vida, materiais
com novas propriedades até o desenvolvimento científico, tecnológico, econômico e
social. Estes motivos tornam os estudos sobre as empresas nanotecnológicas tão
relevante.
Vários métodos têm sido utilizados para a produção de grafeno. Entretanto, tais
métodos precisam ser aperfeiçoados e o escalonamento ainda constitui um gargalo para
o setor produtivo. Além disso, a maioria dos métodos de caracterização empregados
para as técnicas de micro esfoliação mecânica e deposição química a vapor, necessitam
da transferência do grafeno para um substrato específico, o que diminui a eficiência
da caracterização. Portanto, métodos de identificação rápidos e eficazes precisam ser
desenvolvidos.
As empresas mostram o potencial que o grafeno tem no desenvolvimento de
produtos que mudarão substancialmente diversos setores, como a nanoengenharia,
eletrônica e medicina. Tanto a busca pela produção em larga escala, como a inovação
com o uso do grafeno se torna mais efetiva devido aos investimentos e a preocupação
com o futuro existente tanto por parte do governo, como por parte das empresas e
universidades.
Para tanto, é preciso que haja uma interação maior entre as empresas e os
centros de pesquisas e universidades, pois, além da motivação dos alunos por poderem
vivenciar na prática o que é ensinado em sala de aula, ainda tornam maiores as chances
de parcerias na criação de produtos.
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4 Referências
Acemano de Jesus, Karla et al. Grafeno: aplicações e tendências tecnológicas.
Disponível em: http://www.abq.org.br/rqi/2012/737/RQI-737-pagina14-Grafeno-Aplicac
oes-e-Tendencias-Tecnologicas.pdf
Sales, Felipe. Grafeno e suas aplicações. Disponível em: http://www.dsc.ufcg.ed
u.br/ ∼pet/jornal/outubro2013/materias/inovacoes_tecnologicas.html
Class for physics of the Royal Swedish Academy of Sciences. Graphene. Dispo-
nível em https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/advanced-ph
ysicsprize2010.pdf
Marlon, Bianca; Nassar, Hasan. Grafeno: Inovações, aplicações e sua comercia-
lização. Disponível em https://periodicos.set.edu.br/index.php/exatas/article/view/2778/
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