O Efeito Acordeão do Grafeno Impulsiona o Futuro da Tecnologia Vestível

Foi há apenas cerca de duas décadas que o grafeno foi descoberto. Em um período tão curto, este “material milagroso” tornou‑se parte integrante da eletrônica e da tecnologia de semicondutores, armazenamento de energia, gerenciamento térmico, ciência dos materiais e outras indústrias. 

Desde que os professores Kostya Novoselov e Andre Geim, da Universidade de Manchester, isolaram e caracterizaram o grafeno em 2004, pelo qual receberam o Prêmio Nobel de Física em 2010, o material tem permanecido como um dos campos de pesquisa mais empolgantes em eletrônica.

O grafeno é um material bidimensional (2D) que consiste em uma camada extremamente fina de apenas uma única camada de átomos de carbono. Ele exibe propriedades notáveis, incluindo sua leveza, altíssima condutividade elétrica e forte resistência mecânica.

Agora, pesquisadores descobriram uma nova propriedade do grafeno usando um método único.

O Efeito Acordeão: Tornando o Grafeno Muito Extensível 

Liderada por Jani Kotakoski, a equipe de físicos da Universidade de Viena tornou o grafeno, pela primeira vez, substancialmente mais extensível ao manipulá‑lo como um acordeão. Essa nova propriedade foi revelada em um ambiente de medição limpo e sem ar.

As ondulações no grafeno o tornam extensível, abrindo caminho para seu uso em dispositivos vestíveis, onde os materiais precisam dobrar e mover‑se com o corpo enquanto ainda funcionam de forma confiável.

Publicado na revista Physical Review Letters¹, o estudo foi conduzido em colaboração com a Universidade Técnica de Viena e foi financiado pela Austrian Science Fund (FWF).

A equipe de pesquisadores realizou experimentos que realmente esclareceram que a extrema rigidez do grafeno se deve aos átomos do material dispostos em forma de favo de mel; assim, remover alguns desses átomos juntamente com suas ligações reduz a rigidez. 

Estudos científicos realmente relataram contradições; tanto uma leve redução quanto um aumento significativo.

O estudo mais recente deixou isso muito claro graças ao uso de dispositivos avançados, que compartilharam o mesmo ambiente limpo e sem ar. Segundo Katokoshi:

“Este sistema único que desenvolvemos na Universidade de Viena nos permite examinar materiais 2D sem interferência.” 

O ambiente limpo e sem ar permite que as amostras sejam transportadas entre os diferentes dispositivos sem expô‑las ao ar ambiente.

“Pela primeira vez, esse tipo de experimento foi realizado com o grafeno totalmente isolado do ar ambiente e das partículas estranhas que ele contém. Sem essa separação, essas partículas se depositariam rapidamente na superfície, afetando o procedimento experimental e as medições.”

– Primeiro autor do estudo, Wael Joudi

Esse foco na limpeza da superfície do material resultou na revelação do efeito acordeão em associação com a rigidez do grafeno.

Remover dois átomos vizinhos já causa um inchaço perceptível do material inicialmente plano. Vários desses inchaços juntos levam a uma corrugação do material.

“Você pode imaginar como um acordeão. Quando puxado, o material ondulado agora se achata, o que requer muito menos força do que esticar o material plano e, portanto, torna‑se mais extensível.” 

– Joudi

A formação de ondas e a subsequente extensibilidade foram confirmadas pelas simulações realizadas por Florian Libisch e Rika Saskia Windisch, físicos teóricos da Universidade Técnica de Viena.

O estudo relatou observar que a resistência da substância à deformação elástica diminuiu de 286 para 158 N/m. A diminuição é “significativamente maior” não apenas do que a prevista pela maioria dos estudos, mas também em contraste com algumas medições apresentadas, o que se deve às corrugações produzidas por tensões locais em vacâncias com pelo menos dois átomos ausentes.

Os experimentos realizados pela equipe demonstraram ainda “que o efeito oposto pode ser medido quando a contaminação da superfície não é removida antes da engenharia de defeitos.”

Portanto, partículas estranhas na superfície do material realmente suprimem esse efeito e até criam um resultado oposto. Em particular, a influência dessas partículas fez o grafeno parecer ainda mais rígido, o que esclarece as contradições relatadas por experimentos anteriores. Segundo Joudi:

“Isso demonstra a importância do ambiente de medição ao lidar com materiais 2D. Os resultados abrem um caminho para regular a rigidez do grafeno e, assim, pavimentam o caminho para aplicações potenciais.” 

Expandindo os Limites do Grafeno com Descobertas de Ponta

A tecnologia vestível é uma indústria em rápido crescimento, projetada para ultrapassar US$ 150 bilhões antes do final da década.

Um componente chave de dispositivos vestíveis como relógios inteligentes, anéis, óculos, pulseiras, tatuagens inteligentes, joias, têxteis, curativos, máscaras faciais e reguladores de glicose em tempo real são os sensores, que facilitam a detecção de biométricos, coletam dados e então se adaptam às necessidades do corpo.

O rápido desenvolvimento de dispositivos elétricos flexíveis e perceptíveis levou a sensores vestíveis baseados em grafeno, notáveis por seu grande potencial de tornar as instalações de saúde mais acessíveis e melhorar a qualidade das atividades de detecção.

Ao contrário dos semicondutores tradicionais, que são rígidos e têm propriedades optoeletrônicas limitadas, e dos metais, que podem ser caros, tóxicos e apresentar desempenho degradado quando submetidos a tensões mecânicas, as propriedades inerentes do grafeno o tornam altamente adequado para a construção de vestíveis de baixo custo e multifuncionais.

O estudo mais recente mostrou a incrível capacidade do material nesses dispositivos graças ao aumento dramático de sua extensibilidade. Mas não é a primeira vez; ao longo dos anos, muitos estudos investigaram o papel do grafeno em vestíveis por várias razões e fizeram muitas novas descobertas a respeito.

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Sensor de Deformação Vestível Baseado em Grafeno 

No ano passado, pesquisadores desenvolveram² um sensor de deformação vestível usando grafeno que pode detectar e transmitir fala silenciosa.

A gargantilha ‘inteligente’ construída por pesquisadores da Universidade de Cambridge captura micro‑movimentos na garganta, que são captados pelo sensor de deformação como um sinal elétrico e então alimentados em modelos de software para processamento e reconhecimento de fala. Ela pode até captar palavras pronunciadas silenciosamente e transmiti‑las.

O vestível possui uma estrutura distinta, apresentando fissuras ordenadas em têxteis revestidos de grafeno, o que aumenta significativamente a sensibilidade. A camada de grafeno estruturada foi aplicada sobre um sensor de deformação têxtil integrado.

O método de fabricação da tecnologia também é simples, escalável, de baixo custo e biocompatível. O dispositivo é adaptável ao uso prolongado e pode suportar mais de 10.000 ciclos de estiramento‑liberação mantendo funcionalidade elétrica estável e confiável.

Ao responder dinamicamente aos micromovimentos da garganta, ele pode capturar sinais de fala ricos em informação, que são processados por uma rede neural, com uma precisão recorde de 95,25% na decodificação da fala.

O dispositivo, segundo os pesquisadores, tem o potencial de redefinir o campo da interface de fala silenciosa (SSI), que envolve soluções de ponta para permitir comunicação verbal sem vocalização.

Combinando Grafeno com Seda para Eletrônica Flexível

Em outro estudo, pesquisadores do Departamento de Energia do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) desenvolveram uma camada 2D uniforme de “fibroínas” ou fragmentos de proteína da seda sobre grafeno.

O uso de proteína de seda em eletrônicos de design não é novo, mas é limitado devido às fibras de seda serem um emaranhado bagunçado de fios. Por isso, a adição de grafeno.

Seda‑sobre‑grafeno poderia potencialmente criar um transistor sensível e sintonizável muito desejado para sensores de saúde e vestíveis. Pode ainda servir como peça crucial em “memristores” que são usados em redes neurais e permitem que computadores imitem o funcionamento do cérebro humano.

A seda tem sido objeto de muita pesquisa como forma de modular sinais eletrônicos, mas alcançar o controle não é fácil. Portanto, a equipe do PNNL controlou cuidadosamente as condições de reação adicionando individualmente fibras de seda ao sistema à base de água que criou uma camada 2D altamente organizada de proteínas empacotadas em folhas β paralelas.

Este é apenas o primeiro passo na camada controlada de seda em componentes eletrônicos funcionais, com pesquisas futuras focadas em melhorar a estabilidade e a condutividade de circuitos integrados com seda.

Implante de ‘Tatuagem’ de Grafeno para Tratar Batimentos Cardíacos Irregulares

Enquanto isso, pesquisadores da Universidade do Texas em Austin (UT) e da Northwestern University desenvolveram o primeiro implante cardíaco usando grafeno para tratar arritmia cardíaca.

Esses distúrbios ocorrem quando o coração bate muito devagar ou muito rápido, e em muitos casos podem levar a AVC, insuficiência cardíaca e até morte súbita. Para tratar a arritmia, os médicos geralmente utilizam marcapassos implantáveis que detectam batimentos cardíacos irregulares e usam estimulação elétrica para corrigir o ritmo. 

Esses dispositivos exigem materiais duros e rígidos que não são mecanicamente compatíveis com o corpo e, portanto, são difíceis de fixar à superfície do coração. Eles podem causar desconforto temporário, lesionar tecidos moles, restringir movimentos naturais e induzir complicações.

Ao contrário desses, o novo implante biocompatível criado é uma “tatuagem” de grafeno, que em aparência é semelhante a uma tatuagem temporária. É mais fino que um único fio de cabelo, mas funciona como um marcapasso clássico.

O novo dispositivo fino se funde suavemente ao coração para tanto detectar quanto tratar batimentos irregulares. É flexível o suficiente para se adaptar aos contornos delicados do coração e forte o bastante para lidar com os movimentos dinâmicos de um coração pulsante.

“Por razões de biocompatibilidade, o grafeno é particularmente atraente. O carbono é a base da vida, portanto é um material seguro que já é usado em diferentes aplicações clínicas. Ele também é flexível e macio, o que funciona bem como interface entre eletrônicos e um órgão macio e mecanicamente ativo.”

– Autor sênior Igor Efimov

Para encapsular a tatuagem de grafeno e fazê‑la aderir à superfície de um coração pulsante, o grafeno foi encapsulado dentro de uma membrana elástica de silicone com um orifício para acessar o eletrodo de grafeno. Uma fita de ouro de 10 micrômetros de espessura foi então colocada sobre a camada encapsulante como conexão entre o grafeno e a eletrônica externa usada para medir e estimular o coração.

A espessura total resultante do dispositivo foi de cerca de 100 micrômetros, e manteve estabilidade por 60 dias, comparável à duração de marcapassos temporários.

Para testar o dispositivo, os pesquisadores o implantaram em uma rata e descobriram que ele pode detectar com sucesso ritmos cardíacos irregulares e então fornecer estimulação elétrica via uma série de pulsos sem afetar os movimentos naturais do coração. 

Notavelmente, a tecnologia é opticamente transparente, o que significa que os pesquisadores podem usar uma fonte externa de luz óptica para registrar e estimular o coração através do dispositivo. Isso oferece uma abordagem inovadora para identificar e tratar doenças cardíacas e cria novas oportunidades para a optogenética.

Mesmo o Grafeno Imperfeito tem Grandes Benefícios

Há menos de dois anos, pesquisadores da Universidade Técnica de Viena realmente desenvolveram um modelo computacional de estruturas realistas de grafeno, que mostrou que as excelentes propriedades eletrônicas do grafeno são muito estáveis. Isso significa que até mesmo peças de grafeno não tão perfeitas podem ser usadas para aplicações tecnológicas.

Assim, a propagação da corrente elétrica no grafeno é calculada em escala atômica em um pedaço realmente pequeno dele. O professor Florian Libisch, do Instituto de Física Teórica da TU Wien, explicou na época que os elétrons têm várias maneiras diferentes de se mover através do material, e não só isso, eles podem percorrer vários caminhos ao mesmo tempo, que podem se sobrepor de diferentes formas.

Os caminhos se cancelam em valores de energia muito específicos, nos quais a probabilidade de elétrons atravessarem o pedaço de grafeno é extremamente baixa e a corrente elétrica é mínima, o que é chamado de “interferência destrutiva.”

A diminuição dramática no fluxo de corrente em valores de energia muito específicos é “um efeito altamente desejável tecnologicamente,” que pode ser usado para processar informações em escala diminuta, muito semelhante ao que os componentes eletrônicos fazem em chips de computador, e para o desenvolvimento de novos sensores quânticos.

Não é tão simples, porém, pois o tamanho e a forma do pedaço de grafeno nem sempre são os mesmos. Outros fatores como átomos indesejados, átomos oscilantes e muitas interações entre vários elétrons, que são muito difíceis de calcular, precisam ser considerados para “descrever o material grafeno de forma verdadeiramente realista.”

Portanto, os pesquisadores combinaram seus anos de experiência em descrever com precisão diferentes efeitos em materiais em modelos computacionais para desenvolver um modelo abrangente que inclui todas as fontes de erro relevantes e efeitos de perturbação que existem em grafenos. Isso lhes permitiu mostrar que os efeitos desejados são visíveis mesmo quando há fontes de erro.

O estudo tem sido importante ao demonstrar o potencial de usar efeitos quânticos no grafeno de maneira controlada.

Transformando o Grafeno em Pequenos Ímãs

Em meio a tudo isso, especialistas alemães acrescentaram mais um aspecto às diversas propriedades do grafeno que mostrou o potencial do material em interruptores magnéticos e dispositivos de armazenamento.

Pesquisadores da Universidade de Duisburg-Essen (UDE) realizaram experimentos no Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), onde dispararam pulsos curtos de terahertz (THz) em pequenos discos do material, que brevemente os transformaram em ímãs muito fortes. Essa descoberta pode ser útil para desenvolver futuros interruptores magnéticos e dispositivos de armazenamento.

Então, o que os cientistas fizeram aqui foi usar métodos semicondutores existentes para colocar milhares de discos de grafeno do tamanho de micrômetros (μm) em um pequeno chip, que foi então submetido a pulsos curtos de terahertz, o tipo de radiação que fica entre a faixa de micro‑ondas e infravermelho.

Para a fonte de luz, eles usaram um laser de elétrons livres FELBE no HZDR que pode produzir pulsos de terahertz ultra‑intensos.

Além dos discos de grafeno do tamanho de micrômetros que se transformam em eletroímãs, a equipe gerou campos magnéticos na faixa de 0,5 Tesla (TSLA ), cerca de 10.000 vezes o campo magnético da Terra, que durou apenas dez picosegundos ou um centésimo de um bilionésimo.

Para alcançar esse sucesso, porém, os pesquisadores tiveram que polarizar os flashes de terahertz de uma maneira específica. Aqui, ópticas especializadas alteraram a direção da oscilação da radiação para que ela se movesse helicoidalmente pelo espaço.

Quando os flashes circularmente polarizados atingem os pequenos discos, elétrons livres neles começam a girar, o que basicamente transforma os discos em pequenos eletroímãs.

O processo simples e altamente eficiente, segundo os pesquisadores, poderia ser usado em experimentos científicos para obter uma compreensão mais detalhada das propriedades dos materiais. Notavelmente, o campo magnético permaneceu unipolar, o que o torna benéfico para certos experimentos.

No futuro, esses pequenos ímãs podem até encontrar aplicação em tecnologia de armazenamento magnético e spintrônica.

Investindo em Grafeno

Uma empresa que se destaca no setor de grafeno é a CVD Equipment Corporation (CVV ). A empresa projeta e fabrica sistemas usados em deposição química de vapor, uma técnica chave para produzir grafeno de alta qualidade. E à medida que as indústrias continuam a explorar aplicações reais para o grafeno, especialmente em eletrônica e ciência dos materiais, o foco de nicho da CVD pode lhe dar uma vantagem estratégica à medida que a demanda aumenta.

CVD Equipment Corporation (CVV )

A CVD Equipment, baseada nos EUA, desenvolve sistemas de deposição química de vapor (CVD), que são utilizados para criar materiais avançados como o grafeno, bem como revestimentos usados em energia, aeroespacial e outras indústrias.

Também oferece P&D de grafeno e equipamentos de produção especializados para produzir grafeno de alta qualidade em escala.

A empresa opera através de dois segmentos. O primeiro é CVD Equipment, que projeta e fabrica equipamentos de transporte de vapor físico, deposição química de vapor e processos térmicos. O segundo é Stainless Design Concepts (SDC), cujo foco está em sistemas de controle de entrega de gases e produtos químicos de ultra‑alta pureza.

Quanto ao desempenho de mercado das ações da CVD, no momento da escrita, elas estão sendo negociadas a US$ 2,84, queda de 34 % no ano. Com isso, a empresa atingiu uma capitalização de mercado de US$ 20 milhões, com um EPS (TTM) de -0,28 e um P/E (TTM) de -10,43.

Quanto às finanças da empresa, a CVD reportou receita de US$ 26,9 milhões para o ano completo de 2024, um aumento de 11,5 % em relação ao ano anterior. Isso foi impulsionado principalmente por um aumento nas receitas de contratos aeroespaciais em andamento, no segmento SDC, e pelos US$ 0,8 milhão de vendas finais do segmento MesoScribe, que encerrou suas operações no ano passado.

A margem de lucro bruto da CVD Equipment aumentou 2,6 % para 23,6 % em 2024. O prejuízo operacional no período foi de US$ 2,4 milhões, e o prejuízo líquido foi de US$ 1,9 milhão, ou US$ 0,28 por ação básica e diluída.

No ano passado, a empresa também viu um aumento de 8,9 % nas reservas de novos pedidos, que atingiram US$ 28,1 milhões, enquanto o backlog no final do ano era de US$ 19,4 milhões.

“Durante 2024 continuamos a observar uma recuperação contínua de nosso mercado aeroespacial e de defesa,” disse o CEO Manny Lakios, ao observar que o mercado de carbeto de silício permanece “desafiador devido ao excesso de capacidade e ao declínio global nos preços de wafers.”

Últimas Notícias sobre a CVD Equipment Corporation

Conclusão

Conhecido por ser leve, flexível, resistente e possuir alta condutividade elétrica, o grafeno tem sido amplamente pesquisado e utilizado em aplicações nos setores de energia, eletrônica e saúde.

Como observamos acima, vários desenvolvimentos empolgantes, como gargantilhas de fala silenciosa e tatuagens de monitoramento cardíaco, estão constantemente expandindo o mundo do grafeno. Agora, a mais recente descoberta do efeito acordeão no grafeno está adicionando mais uma propriedade: maior extensibilidade, o que demonstra a compatibilidade do material mágico com dispositivos vestíveis.

Combinado com suas propriedades elétricas, mecânicas e biocompatíveis superiores, o grafeno é um material altamente promissor para alimentar os wearables inteligentes de próxima geração!

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Estudos Referenciados:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Amolecimento mecânico dominado por corrugação de grafeno com defeitos. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). Sensores de deformação têxteis ultrassensíveis redefinem interfaces de fala silenciosa vestíveis com alta eficiência de aprendizado de máquina. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1