Ciência dos materiais
Materiais 2D, Como o Grafeno, Abrindo Novas Fronteiras nas Ciências dos Materiais
Uma Descoberta Acidental
A maioria dos objetos físicos é feita de materiais 3D. Materiais sólidos são frequentemente compostos por átomos organizados em estruturas 3D pré-determinadas que formam metais e cristais ou por átomos desorganizados que formam outras coisas.
Por muito tempo, acreditou‑se que essa era a única forma como a matéria poderia ser organizada para formar objetos sólidos. Mas há 20 anos (2004), dois pesquisadores da Universidade de Manchester, Andre Geim e o Professor Kostya Novoselov, descobriram um material 2D, o grafeno. Descobriram quase por acidente ao perceber que uma simples fita adesiva aplicada ao grafite (o que forma as pontas dos lápis) criou uma camada monoatômica de carbono.
Isso lhes rendeu posteriormente o Prêmio Nobel de Física em 2010.
O grafeno é composto por átomos de carbono, mas em vez de estar 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 ultra‑fina. Eles também descobriram que é possível formar materiais de 1 ou zero dimensão, como nanotubos ou pontos quânticos.
Fonte: Ossila
O que torna os materiais 2D especiais é que essa configuração única traz propriedades físicas únicas.
Por exemplo, o grafeno é extremamente condutor, com elétrons capazes de circular nele a 1/300th da velocidade da luz. Também é um excelente condutor térmico e possui a maior resistência à tração de qualquer material, apesar de ser opticamente transparente, absorvendo apenas 2% da luz visível incidente.
Fonte: Visual Capitalist
Muito Mais Que Grafeno
As propriedades únicas do grafeno o tornaram imediatamente o foco de milhares de pesquisadores ansiosos por revelar suas propriedades elétricas, químicas e físicas únicas.
Entretanto, 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 materiais 2D mais importantes e estudados além do grafeno, podemos mencionar alguns:
- Borophene, feito de átomos de boro, descoberto apenas em 2015.
- Goldene, feito de átomos de ouro, produzido pela primeira vez em 2024.
- Silicene, feito de átomos de silício.
- Phosphorene, feito de átomos de fósforo.
Também 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 ligados à monocamada, criando uma superfície “rugosa”, como ao adicionar hidrogênio aos átomos de carbono do grafeno para formar graphane.
Fonte: By Edgar181 (talk) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
Devido a essa extrema diversidade 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 singular de seus elétrons e a ligação forte entre os átomos.
Isso, por sua vez, explica a excepcional condutividade elétrica (fluxo de elétrons), condução térmica (transferência dos níveis de energia entre átomos) e resistência física (ligações covalentes entre átomos devido à troca de elétrons).
A estrutura 2D também confere a esses materiais as maiores áreas superficiais específicas (superfície onde interações são possíveis) de todos os materiais conhecidos. Isso os torna excelentes candidatos para novas formas de catalisadores ou, em geral, para participação em reações químicas e elétricas.
Supercondutores
Como os elétrons fluem quase totalmente livremente na superfície dos materiais 2D, eles têm sido considerados bons candidatos à supercondutividade.
Supercondutividade é o que acontece quando um material consegue conduzir eletricidade sem qualquer resistência.
Isso significa que não há perda de energia, o que pode ser muito útil para transportar energia por longas distâncias, e também que uma corrente que passa pelo material não gera calor. Isso pode torná‑lo incrivelmente útil para todo tipo de aplicação, desde computação até veículos elétricos e praticamente qualquer tecnologia que use eletricidade.
Em teoria, a supercondutividade, especialmente a supercondutividade à temperatura ambiente, poderia permitir o domínio da fusão nuclear, propulsão de navios com eletricidade, trens maglev baratos e ultra‑rápidos, propulsores de massa para alcançar a órbita a baixo custo, etc. (Exploramos em maior detalhe a questão dos supercondutores à temperatura ambiente em nosso artigo dedicado).
Plenty of 2D materials poderiam exibir supercondutividade nas condições corretas (por exemplo, temperatura, pressão, etc.,) incluindo:
- Filmes ultrafinos de metal elementar.
- Cupratos.
- Óxidos perovskita.
- Compostos de férmions pesados de metais de terras raras.
- Grafeno.
- Seleneto de ferro em superfícies de óxido.
- Condutores orgânicos em superfícies metálicas.
Semicondutores
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 transistores de silício e outros elementos de computação são construídos, com 0 sendo nenhum corrente elétrica e 1 a presença de corrente.
Quanto mais rápido um semicondutor pode mudar de estado, mais rápida pode ser a computação associada.
Grafeno
Inicialmente, os pesquisadores que estudavam o grafeno acreditavam que ele poderia substituir o silício nos semicondutores. Infelizmente, ele carece de uma característica eletrônica chave chamada “gap de banda”.
Um gap de banda determina se um material será considerado um metal (conduz eletricidade), um isolante (bloqueia eletricidade) ou um semicondutor (que pode alternar entre ser condutor e isolante).
Fonte: Energy Education
O problema é que o grafeno não tem nenhum gap de banda, impedindo seu uso como semicondutor.
Isso era verdade até 2024, quando os pesquisadores anunciaram que conseguiram criar o primeiro semicondutor do mundo feito de grafeno.
“Agora temos um semicondutor de grafeno extremamente robusto com dez vezes a mobilidade do silício, e que também possui propriedades únicas não disponíveis no silício.
“Tivemos que aprender como tratar o material, como aprimorá‑lo cada vez mais, e finalmente, como medir as propriedades. Isso levou um tempo muito, muito longo.”
Goldene
Outro material 2D de interesse é o goldene, essencialmente grafeno mas com 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 muito alta condutividade elétrica.
Com a produção em 2024 da primeira monocamada de goldene, propriedades semicondutoras podem ser adicionadas à lista.
“Se você tornar um material extremamente fino, algo extraordinário acontece — como com o grafeno. O mesmo acontece com o ouro. Como você sabe, o ouro geralmente é um metal, mas se uma camada tem espessura de um único átomo, então o ouro pode se tornar um semicondutor.”
Semicondutores Orgânicos
Moléculas orgânicas são compostas por um esqueleto de carbono, juntamente com outros elementos, comumente oxigênio, nitrogênio, enxofre, etc.
Fonte: POSTECH
Eles então usaram um passo chamado doping do tipo p, comumente usado na produção de semicondutores.
Isso refere‑se à adição de elementos a um material semicondutor para torná‑lo ainda mais condutor.
Fonte: Wikipedia by VectorVoyager
O material resultante foi descrito pelos pesquisadores como tendo “condutividade elétrica excepcional”.
Portanto, mesmo que de alguma forma materiais como o grafeno sejam muito difíceis de produzir em massa em configuração semicondutora, ou o goldene seja muito caro, os semicondutores orgânicos provavelmente estarão disponíveis para permitir a adoção de semicondutores 2D no futuro próximo.
Super‑Materiais
Embora as propriedades elétricas sejam o foco principal dos cientistas nos materiais 2D, suas 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 usado em 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.
Fonte: By Achim Hering – Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527
A resistência extrema + o peso leve do grafeno e de outros materiais 2D também poderiam ser usados para criar armaduras corporais melhores.
Outro campo de aplicação pode ser gerenciamento térmico. Por exemplo, pesquisadores descobriram recentemente que é possível fabricar um material que seja ao mesmo tempo isolante e rígido (uma combinação rara) ao criar perovskitas híbridas orgânicas‑inorgânicas 2D.
2D materials like grafeno e nitreto de boro hexagonal também poderiam ser usados para dissipar calor em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos.
Por fim, materiais 2D avançados ultra‑resistentes poderiam ser usados para alcançar infraestruturas futurísticas, como, por exemplo, elevadores espaciais. No entanto, tais passos só serão realistas quando descobrirmos como produzir esses materiais economicamente não por gramas ou quilos, mas por milhões de toneladas.
Biotecnologia
Um nível de superfície muito alto, camada extremamente fina e propriedades químicas únicas tornam os materiais 2D bons candidatos para inúmeras aplicações de nicho nas indústrias médica e biotecnológica.
Isso inclui entrega de fármacos, imagem, engenharia de tecidos, biossensores e sensores de gás.
Outro fator no surgimento dos materiais 2D em aplicações biológicas são as descobertas recentes que lhes conferem uma característica chamada quiralidade.
Quiralidade é um termo da química que significa que as moléculas têm simetria esquerda/direita. A quiralidade é uma característica importante das moléculas orgânicas, por exemplo, os aminoácidos que são os blocos de construção das proteínas.
Fonte: 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 direita. Elas podem espelhar‑se perfeitamente, mas uma luva esquerda nunca se encaixará na mão direita tão bem quanto na mão esquerda.
Pr. Dipanjan Pan
pesquisadores sintetizaram plaquetas de borofeno, semelhantes a como fragmentos de borofeno entrariam na corrente sanguínea. Eles descobriram que as propriedades quirais das diferentes versões de borofeno interagiam de forma diferente com as membranas das células, e entravam nas células de maneira distinta.
Isso abre caminho para projetar estruturas personalizadas de borofeno para aplicações como o “desenvolvimento de imagens médicas de alta resolução com contraste que possa rastrear precisamente as interações celulares ou melhor entrega de fármacos com interações material‑célula precisas.”
Uma melhor compreensão de como a estrutura do borofeno interage com células vivas também ajudará a esclarecer seu perfil de segurança.
Embora o perfil de saúde do borofeno ainda esteja sendo avaliado, parece que o grafeno pode até ser inalado com segurança sem nenhum risco agudo à saúde humana. Esses resultados ainda são muito preliminares, mas provavelmente indicam que a rápida proliferação de 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 nossa corrente sanguínea.
Limitações
Fabricação em Escala
Mesmo o material 2D mais estabelecido e primeiro descoberto, o grafeno, ainda está muito presente no domínio de laboratórios e startups.
Isso ocorre porque produzir‑lo em escala ainda é uma proposta complicada. Produzir pequenas quantidades é relativamente fácil, mas produzir quantidades massivas de forma semi‑automatizada não é.
Fita adesiva aplicada a um pedaço de grafite foi suficiente para descobrir o grafeno. Mas métodos muito mais complexos como Deposição Química de Vapor (CVD) são necessários para produção em massa.
Isso está lentamente se tornando mais realidade, com, por exemplo, a publicação de um processo de CVD livre de oxigênio produzindo grafeno de alta pureza.
Colando
Outro problema com os materiais 2D é que, por serem tão finos e quimicamente únicos, podem ser difíceis de colar em outros materiais.
Frequentemente requer técnicas especializadas para fazer uma camada de grafeno aderir a chips de computador, a uma fonte de energia ou a um dispositivo médico.
Isso pode ser muito mais demorado e consumir mais recursos do que alternativas menos eficientes, porém mais fáceis de implementar.
Custos
Porque, por enquanto, a maioria dos métodos de produção e aplicações em dispositivos existentes são principalmente em pequena escala ou sob medida, os materiais 2D permanecem bastante caros.
O preço real pode variar muito dependendo da pureza, com por exemplo grafeno variando entre $20‑2.000/kg.
Isso significa que mesmo ao preço mais barato, o grafeno ainda é 20 vezes mais caro que o aço. Além disso, para alcançar desempenho aceitável ao substituir o referido aço, provavelmente é necessária uma pureza superior à mínima possível.
Empresas de Materiais 2D
O campo dos materiais 2D está evoluindo muito rapidamente, com novas opções como o goldene sendo descobertas regularmente, e novas percepções sobre como otimizar materiais “antigos”, como transformar o grafeno em um semicondutor.
Esses produtos provavelmente só se tornarão um grande setor econômico quando produzidos em escala usando métodos industriais.
Até agora, o método mais avançado e bem documentado é o CVD, conferindo 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 avançada de chips EUV, antenas 5G, discos rígidos, LIDAR, LEDs, eletrônica de potência para veículos elétricos, etc.
Fonte: Veeco
O principal foco tecnológico da empresa é o mesmo processo CVD usado para a produção de borofeno, ou mais precisamente, MOCVD (Deposição Química de Vapor Metal‑Orgânica).
Fonte: Veeco
Como líder neste segmento de nicho da indústria de semicondutores, a Veeco pode ser um bom candidato para apostar no crescimento de mais aplicações de CVD.
Tal crescimento pode derivar do uso crescente de grafeno, tungstênio e borofeno, à medida que progressivamente melhoramos a manipulação da matéria ao nível atômico.
Também provavelmente se beneficiará das grandes tendências de digitalização, IA e eletrificação, independentemente de usar massivamente materiais 2D em breve ou não.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
A GMG é uma produtora de grafeno que focou sua oferta de produtos em produtos baseados em grafeno já demonstrados, como revestimentos térmicos e lubrificantes.
Isso faz da 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.
Fonte: GMG
Algumas aplicações adicionais poderiam ser a criação de semicondutores de grafeno (veja “Semicondutores de Grafeno – Eles Finalmente Chegaram?”), ou até mesmo supercondutores à temperatura ambiente. O revestimento de grafeno também poderia ser usado em baterias e para tecnologias de vasos de pressão de hidrogênio.
Fonte: 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 maior pureza, mais escalabilidade e produção de baixo custo.
A empresa lançou sua primeira instalação de produção na Austrália em 2023, com até 1 milhão de litros de produção de revestimento de trocadores de calor por ano.
O próximo passo para a empresa será sua tecnologia de bateria baseada em íon de alumínio com grafeno, com densidade de 290 Wh/kg, carregamento 60 vezes mais rápido que baterias de íon‑lítio, vida útil 3 vezes maior e um perfil de risco de incêndio melhor.
Fonte: GMG
Essa entrada no mercado de baterias pode ser um grande risco para a GMG, mas também lhe dá uma perspectiva única sobre o futuro mercado que poderia abrir para o grafeno, incluindo em veículos elétricos e outras aplicações relacionadas à energia.
