Ciência dos materiais
Materiais 2D, como o Grafeno, Abrem Novas Fronteiras nas Ciências dos Materiais
Uma Descoberta Acidental
A maioria dos itens físicos é feita de materiais 3D. Materiais sólidos são frequentemente feitos de átomos organizados em estruturas 3D pré-determinadas, formando metais e cristais, ou átomos desorganizados, formando outras coisas.
Por muito tempo, supôs-se que essa era a única forma pela qual a matéria poderia ser organizada para formar objetos sólidos. Mas há 20 anos (2004), dois pesquisadores da Universidade de Manchester, Andre Geim e Professor Kostya Novoselov, descobriram um material 2D, o grafeno. Eles o descobriram quase por acidente, quando perceberam que um simples adesivo aplicado ao grafite (o que compõe as pontas dos lápis) criava uma camada monoatômica de carbono.
Isso mais tarde lhes renderia o Prêmio Nobel de Física de 2010.
O grafeno é feito de átomos de carbono, mas, ao invés de estarem em forma desorganizada (grafite) ou cristal organizado (diamantes), no grafeno, os átomos de carbono estão alinhados em uma camada monoatômica, como uma folha de papel ultrafina. Eles também descobriram que é possível formar materiais 1 ou 0 dimensões, como nanotubos ou pontos quânticos.
Source: Ossila
O que torna os materiais 2D especiais é que essa configuração única vem com propriedades físicas únicas.
Por exemplo, o grafeno é extremamente condutor, com elétrons capazes de circular nele a 1/300º da velocidade da luz. Ele também é um bom condutor térmico e tem a maior resistência à tração de qualquer material, apesar de ser opticamente transparente, absorvendo apenas 2% da luz visível incidente.
Source: Visual Capitalist
Muito Além do Grafeno
As propriedades únicas do grafeno imediatamente o tornaram o foco de milhares de pesquisadores ansiosos para desvendar suas propriedades elétricas, químicas e físicas únicas.
No entanto, outros começaram a se perguntar se outros elementos, além do carbono, poderiam criar materiais 2D também. A resposta foi sim, com previsões teóricas prometendo centenas de diferentes materiais 2D potenciais. Entre os mais importantes e estudados materiais 2D, além do grafeno, podemos mencionar alguns:
- Borofeno, feito de átomos de boro, descoberto apenas em 2015.
- Goldene, feito de átomos de ouro, produzido pela primeira vez em 2024.
- Siliceno, feito de átomos de silício.
- Fosforeno, feito de átomos de fósforo.
Parece que os materiais 2D não precisam ser feitos de apenas um elemento puro – por exemplo, monocamadas de dissulfeto de molibdênio (MoS2) ou nitreto de silício (Si3N4).
Outros átomos também podem ser anexados à monocamada, criando uma superfície “rugosa”, como quando se adiciona hidrogênio aos átomos de carbono do grafeno para formar grafano.
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Devido a essa diversidade extrema de materiais, os pesquisadores estão apenas começando a descobrir o potencial dos materiais 2D.
Aplicações – Aspectos Fundamentais
Em geral, o que torna os materiais 2D únicos é que sua estrutura atômica muito organizada permite a configuração única de seus elétrons e o vínculo apertado entre os átomos.
Isso, por sua vez, explica a condutividade elétrica excepcional (fluxo de elétrons), a condução térmica (transferência de níveis de energia entre os átomos) e a força física (ligações covalentes entre os átomos devido à troca de elétrons).
A estrutura 2D também dá a esses materiais a maior área de superfície específica (superfície onde as interações são possíveis) de todos os materiais conhecidos. Isso os torna excelentes candidatos para novas formas de catalisadores ou, em geral, para participar de reações químicas e elétricas.
Supercondutores
Porque os elétrons fluem quase inteiramente livres na superfície dos materiais 2D, eles têm sido considerados bons candidatos para supercondutividade.
A supercondutividade é o que acontece quando um material é capaz de conduzir eletricidade sem resistência alguma.
Isso significa que não há perda de energia, o que pode ser muito útil para transportar energia sobre longas distâncias, mas também significa que uma corrente que passa pelo material não gera calor algum. Isso pode torná-lo incrivelmente útil para todos os tipos de aplicações, desde computação até veículos elétricos e virtualmente qualquer tecnologia que use eletricidade.
Na teoria, a supercondutividade, especialmente a supercondutividade em temperatura ambiente, poderia permitir dominar a fusão nuclear, propelir navios com eletricidade, trens de levitação magnética baratos e ultra-rápidos, aceleradores de massa para alcançar a órbita a um custo muito baixo, etc. (Nós exploramos em mais detalhes a questão dos supercondutores em temperatura ambiente em nosso artigo dedicado).
Muitos materiais 2D poderiam exibir supercondutividade nas condições certas (por exemplo, temperatura, pressão, etc.), incluindo:
- Filmes ultrafinos de metais elementais.
- Cupratos.
- Óxidos de perovskita.
- Compostos de metais raros de fermiões pesados.
- Grafeno.
- Seleneto de ferro em superfícies de óxido.
- Condutores orgânicos em superfícies metálicas.
Semicondutores
Os semicondutores são materiais capazes de mudar seletivamente de um estado condutor (que transfere elétrons) para um estado isolante (que bloqueia elétrons). Este é o princípio fundamental em torno do qual os transistores de silício e outros elementos de computação são construídos, com 0 sendo nenhuma corrente elétrica e 1 a presença de corrente.
Quanto mais rápido um semicondutor pode mudar de estado, mais rápido a computação associada pode ser.
Grafeno
Inicialmente, os pesquisadores que estudavam o grafeno pensaram que ele poderia substituir o silício nos semicondutores. Infelizmente, ele falta uma característica eletrônica fundamental chamada “lacuna de banda”.
Uma lacuna de banda é o que determina se um material será considerado um metal (conduzindo eletricidade), um isolante (bloqueando eletricidade) ou um semicondutor (que pode mudar entre condutor e isolante).
Source: Energy Education
O problema é que o grafeno não tem lacuna de banda alguma, impedindo seu uso como semicondutor.
Isso era verdade até 2024, quando os pesquisadores anunciaram que conseguiram criar o primeiro semicondutor feito de grafeno.
“Agora temos um semicondutor de grafeno extremamente robusto com 10 vezes a mobilidade do silício, e que também tem propriedades únicas não disponíveis no silício.
“Tivemos que aprender a tratar o material, a torná-lo melhor e melhor, e finalmente, a medir as propriedades. Isso levou um muito, muito longo tempo.”
Ouro
Outro material 2D de interesse é o ouro, essencialmente o grafeno, mas com o ouro substituindo os átomos de carbono.
O ouro já é comumente usado em chips e componentes de computador, graças às suas propriedades extraordinárias, como resistência à oxidação e condutividade elétrica muito alta.
Com a produção em 2024 da primeira monocamada de ouro, as propriedades semicondutoras podem ser adicionadas à lista.
“Se você fizer um material extremamente fino, algo extraordinário acontece – como no grafeno. A mesma coisa acontece com o ouro. Como você sabe, o ouro é normalmente um metal, mas se uma camada for uma camada de um átomo de espessura, então o ouro pode se tornar um semicondutor em vez disso.”
Semicondutores Orgânicos
As moléculas orgânicas são feitas de um esqueleto de carbono, juntamente com outros elementos, comumente oxigênio, nitrogênio, enxofre, etc.
Source: POSTECH
Eles então usaram uma etapa chamada doping de tipo p, comumente usada na produção de semicondutores.
Isso se refere a adicionar elementos a um material semicondutor para torná-lo mais condutor.
Source: Wikipedia por VectorVoyager
O material resultante foi descrito pelos pesquisadores como tendo “condutividade elétrica excepcional”.
Então, mesmo que de alguma forma materiais como o grafeno sejam muito difíceis de produzir em massa em uma configuração de semicondutor, ou o ouro seja muito caro, os semicondutores orgânicos provavelmente estarão lá para permitir a adoção de semicondutores 2D no futuro próximo.
Supermateriais
Enquanto as propriedades elétricas são o núcleo do interesse dos cientistas nos materiais 2D, as propriedades físicas são igualmente impressionantes.
Por exemplo, o grafeno é 200 vezes mais forte que o aço para uma massa equivalente. O grafeno poderia ser integrado ao concreto, da mesma forma que o aço é no concreto armado, criando um concreto 2,5 vezes mais forte e 4 vezes menos permeável à água. Além disso, o grafeno não enferruja como o aço, tornando o concreto reforçado com grafeno não vulnerável à “podridão do concreto” causada pela oxidação do ferro, que limita severamente a vida útil das estruturas de concreto.
A resistência extrema + leveza do grafeno e de outros materiais 2D também poderiam ser usadas para criar melhor armadura corporal.
Outro campo de aplicação pode ser o gerenciamento térmico. Por exemplo, os pesquisadores descobriram recentemente que é possível fabricar um material que é ao mesmo tempo isolante e rígido (uma combinação rara) criando perovskitas híbridas orgânicas e inorgânicas 2D.
Materiais 2D como grafeno e nitreto de boro hexagonal poderiam ser usados para dissipar calor em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos.
Por fim, materiais 2D ultra-resistentes avançados poderiam ser usados para alcançar infraestruturas futuristas, como, por exemplo, elevadores espaciais. No entanto, tais passos só serão realistas uma vez que tivermos descoberto como produzir esses materiais economicamente, não por gramas ou quilos, mas por milhões de toneladas.
Biotecnologia
Nível de superfície muito alto, camada extremamente fina e propriedades químicas únicas tornam os materiais 2D bons candidatos para muitas aplicações de nicho nas indústrias médica e biotecnológica.
Isso inclui entrega de medicamentos, imagem, engenharia de tecidos, biossensores e sensores de gás.
Outro fator na emergência dos materiais 2D em aplicações biológicas são as descobertas recentes que permitem que eles tenham uma característica chamada quiralidade.
A quiralidade é um termo de química que significa que as moléculas têm uma simetria esquerda/direita. A quiralidade é uma característica importante das moléculas orgânicas, por exemplo, os aminoácidos que são os blocos de construção das proteínas.
Source: UC Santa Barbara
Em moléculas, a quiralidade pode fazer com que unidades biológicas ou químicas existam em duas versões que não podem ser perfeitamente combinadas, como em uma luva esquerda e uma luva direita. Elas podem se espelhar perfeitamente, mas uma luva esquerda nunca se encaixará na mão direita tão bem quanto se encaixa na mão esquerda.
Pr. Dipanjan Pan
Recentemente, os pesquisadores sintetizaram placas de borofeno, semelhantes à forma como fragmentos de borofeno entrariam no sangue. Eles descobriram que as propriedades quirais das diferentes versões do borofeno interagiam de forma diferente com as membranas das células e entravam nas células de forma diferente.
Isso abre caminho para o design de estruturas personalizadas de borofeno para aplicações como o “desenvolvimento de imagens médicas de alta resolução com contraste que poderia rastrear interações celulares com precisão ou entrega de medicamentos com interações materiais-celulares precisas.”
Uma melhor compreensão de como a estrutura do borofeno interage com células vivas também ajudará a esclarecer seu perfil de segurança.
Enquanto o perfil de saúde do borofeno ainda está sendo avaliado, parece que o grafeno pode ser inalado com segurança sem qualquer risco agudo para a saúde humana. Esses resultados são ainda muito preliminares, mas provavelmente indicam que a proliferação rápida dos materiais 2D não deve resultar em problemas de saúde pública.
E quanto mais biocompatíveis eles forem, mais provável será que possam ser usados para desenvolver sensores biológicos ou alimentar nanorobôs em nosso sangue.
Limitações
Fabricação em Escala
Mesmo o material 2D mais estabelecido e descoberto primeiro, o grafeno, ainda é muito dominado por laboratórios e startups.
Isso ocorre porque produzi-lo em escala ainda é uma proposta complicada. Fazer pequenas quantidades é mais ou menos fácil, mas produzir quantidades maciças de forma semi-automatizada não é.
A fita adesiva aplicada a um pedaço de grafite foi suficiente para descobrir o grafeno. Mas métodos mais complexos, como o Depósito Químico em Vapor (CVD), são necessários para a produção em massa.
Isso está lentamente se tornando mais uma realidade, com, por exemplo, a publicação de um processo para CVD sem oxigênio que produz grafeno de alta pureza.
Colar
Outro problema com os materiais 2D é que, porque eles são tão finos e quimicamente únicos, eles podem ser difíceis de colar em outros materiais.
Isso frequentemente requer técnicas especializadas para fazer com que uma camada de grafeno grude em chips de computador, uma fonte de alimentação ou um dispositivo médico.
Isso pode ser muito mais demorado e intensivo em recursos do que alternativas menos eficientes, mas mais fáceis de implementar.
Custos
Porque, por agora, a maioria dos métodos de produção e aplicações em dispositivos existentes são principalmente em pequena escala ou personalizados, os materiais 2D permaneceram relativamente caros.
O preço real pode variar muito dependendo da pureza, com, por exemplo, o grafeno variando entre $20-2.000/kg.
Isso significa que, mesmo no preço mais barato, o grafeno é ainda 20 vezes mais caro que o aço. Além disso, para alcançar um desempenho aceitável na substituição do aço, provavelmente mais do que a pureza mais baixa possível é necessária.
Empresas de Materiais 2D
O campo dos materiais 2D está evoluindo muito rapidamente, com novas opções como o ouro sendo descobertas regularmente, e novas ideias sobre como otimizar “materiais antigos” como transformar o grafeno em um semicondutor.
Esses produtos provavelmente só se tornarão um setor econômico importante uma vez que sejam produzidos em escala usando métodos industriais.
Portanto, o método mais avançado e bem documentado é o CVD, dando uma vantagem significativa aos especialistas em CVD para capturar grande parte do valor da fabricação de materiais 2D.
1. Veeco
(VECO )
A Veeco tem sido um grande fornecedor de equipamentos para a indústria de fabricação de semicondutores desde sua fundação em 1945. Suas máquinas são usadas na produção de chips de ponta, antenas 5G, discos rígidos, LIDAR, LEDs, eletrônica de potência para veículos elétricos, etc.
Source: Veeco
A principal tecnologia da empresa é o mesmo processo CVD usado para a produção de borofeno, ou mais precisamente, MOCVD (Depósito Químico em Vapor Metal-Orgânico).
Source: Veeco
Como líder nesse nicho do setor de semicondutores, a Veeco pode ser um bom candidato para apostar na ascensão de mais aplicações do CVD.
Esse crescimento pode ser proveniente do uso crescente do grafeno, tungstênio e borofeno, à medida que progredimos em manipular a matéria no nível atômico.
Isso também provavelmente se beneficiará das grandes tendências de digitalização, IA e eletrificação, seja com o uso maciço de materiais 2D em breve ou não.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
A GMG é uma produtora de grafeno que concentrou sua oferta de produtos em produtos baseados em grafeno já demonstrados, como revestimentos térmicos e lubrificantes.
Isso torna a GMG uma boa opção para investidores que buscam exposição direta ao mercado de grafeno e uma empresa já ativa na produção em massa de grafeno e na melhoria do método de produção atual.
Source: GMG
Algumas aplicações adicionais podem ser a criação de semicondutores de grafeno (veja “Semicondutores de Grafeno – Será que Eles Finalmente Estão Aqui?”), ou até mesmo supercondutores em temperatura ambiente. O revestimento de grafeno também pode encontrar uso em baterias e tecnologias de vasos de pressão de hidrogênio.
Source: GMG
A GMG produz seu grafeno a partir de metano + hidrogênio, o que difere da maioria de seus concorrentes, que o produzem a partir de depósitos naturais de grafite. Isso permite uma pureza mais alta, mais escalabilidade e produção de baixo custo.
A empresa lançou sua primeira fábrica na Austrália em 2023, com até 1 milhão de litros de produção de revestimento térmico por ano.
O próximo passo para a empresa será sua tecnologia de bateria baseada em íon de alumínio de grafeno, com uma densidade de 290 Wh/kg, carregamento 60 vezes mais rápido do que as baterias de íon de lítio, 3 vezes a vida útil da bateria e um melhor perfil de risco de incêndio.
Source: GMG
Essa entrada no mercado de baterias pode ser um grande risco para a GMG, mas também lhe dá uma perspectiva única sobre o mercado futuro que pode se abrir para o grafeno, incluindo aplicações em veículos elétricos e outras aplicações de energia.
