Ciência dos materiais
Limpeza do Grafeno: A Chave para a Comercialização
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Ao longo dos anos, o grafeno recebeu muitos adjetivos. Alguns o chamaram de ‘material milagroso de encher a cabeça’, enquanto outros o denominaram ‘supermaterial comprovado’. O mundo despertou para as maravilhas do grafeno há mais de uma década.
Em 2012, a Nature publicou um artigo intitulado ‘A roadmap for graphene,’ que detalhou por que o grafeno estava rapidamente se tornando o objeto de desejo da comunidade científica. Os pesquisadores destacaram as propriedades do grafeno como razão desse interesse, dizendo:
“Este tecido de carbono com espessura de um átomo combina de forma única resistência mecânica extrema, condutividades eletrônica e térmica excepcionalmente altas, impermeabilidade a gases, além de muitas outras propriedades suprema, todas as quais o tornam altamente atraente para inúmeras aplicações.”
Reconhecendo o potencial do grafeno, a União Europeia decidiu destinar 1 bilhão de euros ou US$1,3 bilhão a ele entre 2013 e 2023. O investimento visava assegurar as capacidades transformadoras do grafeno, especialmente quando aplicado a eletrônica, energia, saúde, construção, etc. Essas iniciativas contaram com o apoio de um longo histórico de pesquisa, já que mais de 8.000 artigos foram escritos sobre o grafeno entre 2005 e 2013.
Desde então, o interesse no grafeno entre a comunidade científica não diminuiu. Agora, os pesquisadores estão buscando maneiras de comercializar ainda mais o grafeno em escala maior. Em um desses estudos, uma equipe de engenheiros da Universidade Columbia, juntamente com colegas da Universidade de Montreal e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, investigou as possibilidades de limpar o grafeno, tornando-o pronto para reprodução comercial em larga escala.
Abordando os Desafios Enfrentados pela Síntese de Grafeno por Deposição Química de Vapor (CVD)
O CVD tem sido um dos dois métodos tradicionais de síntese de grafeno, sendo o outro o método da ‘fita adesiva’. O método, também conhecido como crescimento por CVD, atinge seus objetivos ao passar um gás contendo carbono, como o metano, sobre uma superfície de cobre a cerca de 1000 °C.
O processo quebra o metano de modo que os átomos de carbono possam se reorganizar e realinhar em uma única camada de grafeno em forma de favo de mel. A vantagem desse método em relação ao método da ‘fita adesiva’ é que o crescimento por CVD pode criar amostras de grafeno muito maiores, de centímetros ou até metros de tamanho. O resultado do método da ‘fita adesiva’, por outro lado, produz grafeno muito pequeno, com algumas dezenas de micrômetros de tamanho.
Os resultados do crescimento por CVD do grafeno são mais amplamente utilizáveis do que os resultados do método da ‘fita adesiva’. No entanto, as amostras sintetizadas por CVD sofrem de problemas de reprodutibilidade e qualidade variável.
Para enfrentar esses desafios, os pesquisadores desenvolveram um método de deposição química de vapor sem oxigênio (OF-CVD) que pode criar amostras de grafeno de alta qualidade em escala.
Ao falar sobre a inovação e sua qualidade pioneira, James Hone, autor sênior da pesquisa e professor Wang Fong-Jen de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering, disse o seguinte:
“Demonstramos que eliminar praticamente todo o oxigênio do processo de crescimento é a chave para alcançar uma síntese de grafeno por CVD reproduzível e de alta qualidade. Isso representa um marco rumo à produção em larga escala de grafeno.”
A pesquisa, além do que alcançou no campo da ciência e tecnologia, também mostrou como colaborações acadêmicas devem funcionar. Foi há seis anos, quando Richard Martel e Pierre Levesque, coautores da pesquisa de Montreal, demonstraram que vestígios de oxigênio podem retardar o processo de crescimento e corroer o grafeno. Durante esse período, com base nas descobertas de Martel e Levesque, Christopher DiMarco, GSAS 19, projetou e construiu um sistema de crescimento por CVD onde foi possível controlar a quantidade de oxigênio durante o processo de automação.
O estudo atual é uma continuação do trabalho de Martel, Levesque e Di Marco, onde Xingzhou Yan e Jacob Amontree, atuais estudantes de doutorado, descobriram que o crescimento por CVD era muito mais rápido quando o vestígio de oxigênio foi eliminado. A qualidade dessas amostras de CVD sem oxigênio é virtualmente idêntica à do grafeno exfoliado, que é bastante limpo e livre de impurezas que poderiam interferir nas propriedades desejáveis do grafeno.
Além de produzir grafeno limpo e puro, os pesquisadores descobriram que era possível prever a taxa de crescimento por CVD em uma variedade de parâmetros diferentes, incluindo pressão de gás e temperatura.
Nos próximos dias, os pesquisadores planejam avançar com o grafeno desenvolvendo um método para transferir limpidamente o grafeno de alta qualidade do catalisador metálico de crescimento para outros substratos funcionais, como o silício. Isso ampliaria enormemente as possibilidades do grafeno ainda mais.
‘Grafeno Limpo’: A Chave para a Comercialização
O grafeno, desde seus primeiros dias, ganhou destaque por suas inúmeras qualidades. Seus átomos de carbono estão perfeitamente distribuídos em uma formação hexagonal de favo de mel, com apenas 0,3 nanômetros de espessura, e apenas 0,1 nanômetro entre cada átomo. Essa simplicidade estrutural e pureza conferem ao grafeno várias propriedades.
Por exemplo, ele é 200 vezes mais forte que o aço, porém seis vezes mais leve. Sua transparência é quase perfeita, permitindo que cerca de 98 % da luz passe enquanto absorve apenas 2 %. O grafeno também é impermeável a gases, e suas propriedades podem ser alteradas ao adicionar componentes químicos à sua superfície. Annick Loiseau, do Office Nacional de Estudos e Pesquisas Aeronáuticas (ONERA), cunhou o slogan que dizia, “O futuro está no grafite de lápis!”
Em essência, o grafeno estava pronto para ser comercializado. Ele estava preparado para o grande salto. No entanto, uma área que permanecia controversa era limpar o grafeno enquanto se mantinha seu tamanho. A pesquisa atual mostra como criar grafeno limpo que tem centímetros ou até metros de tamanho e torná-lo pronto para a comercialização em plena escala.
Com os benefícios do grafeno disponíveis para todos explorarem e utilizarem, a comunidade científica passou a se interessar em investigar as possibilidades de outras estruturas elementares monolayer. O elemento que se destacou foi o Boro, cuja monocamada é chamada de Borofeno.
A Comparação entre Grafeno e Borofeno
Grafeno e Borofeno consistem em folhas únicas de seus respectivos elementos. Eles possuem alta resistência estrutural, são altamente flexíveis e não se degradam facilmente.
Existem também algumas diferenças. Por exemplo, o grafeno apresenta folhas planas e uma estrutura de rede hexagonal. As folhas de borofeno apresentam curvatura menor e existem em três sub‑alótropos com arranjos diferentes de triângulos e hexágonos.
Já discutimos as propriedades que o grafeno possui. As propriedades do borofeno o tornam um elemento crucial em fotovoltaica, eletrônica flexível e tecnologias de exibição, devido à sua alta condutividade elétrica e transparência óptica ao longo da direção ‘a’ e a toda espécie de nova anisotropia.
No geral, o desenvolvimento do grafeno e do borofeno possibilitou experimentar diferentes inovações tecnológicas com qualidades aplicadas interessantes.
Na discussão de hoje, que gira em torno do grafeno, analisaremos empresas que foram inovadoras em sua aplicação do grafeno. Mas antes de examinarmos empresas individuais e suas conquistas, devemos analisar o Graphene Flagship, o consórcio pioneiro que está abrindo novos horizontes para desenvolver diferentes soluções com grafeno.
O Graphene Flagship
Financiado pela União Europeia, o Graphene Flagship reúne 118 parceiros acadêmicos e industriais em 12 projetos de pesquisa e inovação e um projeto de coordenação e apoio ‘para avançar a autonomia estratégica da Europa em tecnologias que dependem do grafeno e de outros materiais 2D.’
Nos últimos dez anos, o Graphene Flagship alcançou muitos marcos. O mais recente e talvez o mais vital desses marcos até agora tem sido o sucesso do projeto pioneiro de integração de semicondutores de material 2D do grafeno.
O projeto começou em outubro de 2020 para levar o grafeno e materiais relacionados (GRM) do laboratório para a produção comercial escalável e uso. Com um orçamento de 20 milhões de euros distribuído ao longo de quatro anos, o projeto 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL) focou em prototipagem, fabricação de wafers e habilitação de processos.
Os resultados foram promissores, para dizer o mínimo. Devido às conquistas do projeto, acadêmicos, pesquisadores e empresas privadas tiveram uma oportunidade inédita de testar e prototipar ideias novas para dispositivos de materiais 2D. Isso levou a execuções de wafers multi‑projeto (MPW), que possibilitaram desenvolvimento de protótipos de baixo custo e grande escala.
Na área de habilitação de processos, o Graphene Flagship auxiliou a comunidade científica construindo duas ferramentas novas sob medida, incluindo um reator de deposição química de vapor metalorgânica (MOCVD) da Aixtron e uma ferramenta automatizada de transferência de camada 2D da SUSS MicroTec (SMHN.SW ). Essas ferramentas possibilitaram a realização de testes aprofundados e a modificação dos processos de crescimento e transferência de camada de materiais 2D, que são essenciais para alcançar altas capacidades de produção no futuro.
Ao explicar as conquistas do Graphene Flagship e seu projeto 2D‑EPL, Patrik Johansson, diretor do Graphene Flagship, disse o seguinte:
“A Linha Piloto não se trata apenas dos dados concretos e dos avanços científicos e tecnológicos que reunimos, mas também — e talvez ainda mais importante — das interações pessoais que criaram um espaço para a fertilização cruzada de ideias para o futuro da inovação em materiais 2D na Europa. À medida que o mercado global de grafeno está previsto para crescer exponencialmente, de uma receita anual de 380 milhões de US$ em 2022 para 1,5 bilhão de US$ em apenas cinco anos, projetos como o 2D‑EPL são vitais para manter a Europa na vanguarda do desenvolvimento e da inovação.”
Além do Consórcio, algumas empresas individuais têm realizado trabalhos excepcionais nesta área. Nos segmentos abaixo, brevemente, discutimos algumas dessas empresas.
#1. NanoXplore
Fundada em 2011 e com sede em Montréal, Quebec, a NanoXplore possui uma instalação de produção de pó de grafeno de 4.000 toneladas métricas por ano (GRA.TO ) projetada com uma estrutura modular. A empresa se especializa no desenvolvimento e formulação de soluções à base de grafeno como aditivo para melhorar o desempenho de materiais industriais dentro de termoplásticos e termofixos.
A instalação da NanoXplore tem capacidades de extrusão de classe mundial para criar masterbatches aprimorados com grafeno em poliolefinas e polímeros engenheirados. Por meio de sua tecnologia limpa patenteada e proprietária, a NanoXplore capacita seus clientes com uma gama de soluções à base de grafeno, incluindo o pó GrapheneBlackTM e pellets de masterbatch aprimorado com grafeno. A divisão de Negócios de Compostos da NanoXplore oferece produtos plásticos e compósitos padrão e personalizados para diversos clientes nos setores de transporte, embalagens, eletrônicos e outros setores industriais.
Graphene Black da NanoXplore é um pó de grafeno de uso múltiplo com o melhor equilíbrio entre misturabilidade e fabricabilidade. Isso permite que o grafeno aumente sua viabilidade comercial e melhore significativamente as propriedades de plásticos e polímeros.
A NanoXplore também está tentando adicionar o GrapheneBlack às químicas atuais de íons de lítio em ânodos de íons de lítio habilitados por silício para melhorar a capacidade de energia e as velocidades de carregamento em suas baterias aprimoradas com grafeno que se mostram úteis para veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia e caminhões e ônibus elétricos.
De acordo com seus relatórios financeiros mais recentes, a NanoXplore registrou receitas de 33,87 milhões e quase 92 milhões de dólares canadenses nos períodos de três e nove meses encerrados em 31 de março de 2024, respectivamente.
Outra empresa que tem se destacado na fabricação limpa de pó de grafeno é a GMG ou Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
É uma empresa de tecnologia limpa com um processo de produção proprietário que fabrica pó de grafeno a partir de matéria‑prima de baixo custo e facilmente disponível. O processo produz ‘grafeno de alta qualidade, baixo custo, escalável, ajustável e livre de contaminantes’ que ajuda a desenvolver soluções nas áreas de economia de energia e armazenamento de energia.
Mais especificamente, a linha de produtos da GMG inclui revestimentos de aquecimento, ventilação, ar condicionado e refrigeração (HVAC‑R) aprimorados com grafeno, lubrificantes e fluidos. A empresa também está trabalhando na comercialização de baterias de íons de alumínio com grafeno da GMG que têm o potencial de ter maior densidade de energia que as baterias de íons de lítio.
Para os períodos de três e nove meses encerrados em 31 de março de 2024, a GMG registrou receitas de 53.000 e 212.000 dólares australianos, respectivamente.
O Material Maravilhoso do Futuro?
As propriedades e características revolucionárias do grafeno permitirão que ele alcance mais no futuro. Ele será usado em Eletrônica, Fotônica, Energia, Biomédica, Compósitos e no design dos materiais 2D de amanhã.
Esses materiais 2D oferecem propriedades físicas e químicas excepcionais, capacitando aplicações inovadoras em optoeletrônica, energia, sensores, compósitos e muito mais. A chave para crescer rapidamente seria desenvolver maneiras que trabalhem com o grafeno da forma mais sustentável e de baixo custo possível.
