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7/22/2019 RQI 737 Pagina14 Grafeno Aplicacoes e Tendencias Tecnologicas

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14 RQI - 4 trimestre 2012

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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Materials. 2007, 6: 183-191.Graphene Industries, cujo foco atender as

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