trabalho pcm

8/16/2019 Trabalho Pcm

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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



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



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



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




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.




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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