Grafeno no Brasil: uma promessa com potencial, mas que ainda não decolou

Material revolucionário, produto do futuro, ótimo condutor de eletricidade, mais forte que o aço. Você provavelmente já deve ter ouvido esses adjetivos enquanto algum especialista falava sobre o grafeno, e a essas qualidades ainda é possível adicionar leveza, transparência e flexibilidade.

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O grafeno é formado por uma camada bidimensional de átomos de carbono dispostos em estruturas hexagonais. O material 2D é obtido a partir de camadas superficiais de grafite e pode ser usado na fabricação de circuitos transparentes, implantes neurais, painéis solares e em várias aplicações que precisem de componentes maleáveis e resistentes.

A fama de “durão” vem do fato de ele ser cerca de 200 vezes mais forte que o aço comum. Tanto o grafite quanto o diamante e o grafeno são feitos do mesmo elemento químico; a diferença está na ligação dos átomos de carbono, o que dá a cada um deles propriedades físicas bem distintas.

Quem descobriu o grafeno?

Teorias sobre a existência de um material super-resistente, formado por ligações de átomos de carbono, estão por aí desde a década de 1940, época em que o físico canadense Philip Russell Wallace escrevia as primeiras páginas do seu estudo sobre a estrutura de bandas do grafite.

Mas foi apenas em 2004 que os físicos russos Andre Geim e Konstantin Novoselov, ambos professores na Universidade de Manchester, na Inglaterra, se tornaram os "pais" do grafeno. Eles conseguiram comprovar a existência autônoma do material semicondutor de uma forma pouco convencional, colando e descolando uma fita adesiva em uma lâmina de grafite.

Depois de repetir esse procedimento por várias vezes, o que restou foi uma única e finíssima camada de átomos de carbono que manteve sua estrutura sem alterar a condutividade. A descoberta do material que iria revolucionar a indústria do futuro rendeu aos dois cientistas o prêmio Nobel de Física de 2010.

O que ele tem de tão especial?

Como condutor de eletricidade, o grafeno é tão bom quanto o cobre. Como condutor de calor, ele é melhor do que qualquer outro material conhecido. Em sua forma original, ele é quase totalmente transparente, mas ao mesmo tempo é tão denso que nem mesmo o hélio, o elemento com o menor raio atômico conhecido, consegue penetrar em sua estrutura hexagonal.

Mesmo com a resistência proporcionada pelas ligações químicas formadas entre os seus átomos de carbono, ele é um material tão fino que três milhões de camadas de grafeno empilhadas umas sobre as outras têm a espessura de apenas 1 milímetro. Além disso, o grafeno pode ser mergulhado em qualquer líquido sem enferrujar ou danificar sua composição.

Não bastassem todas essas qualidades que deixam o plástico e o silício no chinelo, esse material é extremamente barato para ser produzido, já que ele é feito a partir da grafita, um mineral fácil de encontrar e abundante na natureza.

Grafita? Temos!

Dados do Ministério de Minas e Energia (MME), obtidos por meio de um estudo do Serviço Geológico do Brasil (SGB-CPRM), mostram que o país possui a terceira maior reserva de grafita natural do mundo, com cerca de 70 milhões de toneladas. Nossa produção ultrapassa 100 mil toneladas por ano, quantidade que representa quase 27% da produção global desse mineral.

“O Brasil detém imensas áreas inexploradas ou subavaliadas de grafita. Algumas dessas áreas têm ótima infraestrutura, como proximidade de energia, água e portos. Essas são vantagens estratégicas e competitivas para implantação de indústrias verdes voltadas ao desenvolvimento da nanotecnologia utilizada na produção do grafeno”, explica a pesquisadora de geociências do SGB-CPRM Débora Rabelo.

No Brasil existem dois centros que fabricam grafeno em escala industrial, ambos com capacidade anunciada de 500 Kg/ano. O UCS GRAPHENE, desenvolvido em parceria com a Universidade de Caxias do Sul (UCS), e o MGgrafeno, da Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais (Codemge), em conjunto com a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e o Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN).

O grafeno de alta qualidade é produzido na Codemge desde 2016 por meio de um processo de extração conhecido como esfoliação química da grafita natural. Esse método proporciona a fabricação de dois tipos de grafeno: o que possui entre uma e cinco camadas (mais valorizado no mercado) e as nanoplacas de grafeno, que têm entre cinco e dez camadas. O material produzido em Minas Gerais pode ser usado em aplicações no setor eletrônico e na confecção de sensores vestíveis, além supercapacitores, baterias, membranas de dessalinização e tintas condutoras de eletricidade.

Desafios do grafeno brasileiro

Apesar de todas essas qualidades, esse jovem que está há 17 anos sob os holofotes da ciência ainda não se firmou como uma opção comercialmente viável. Ainda hoje, a maioria dos testes com grafeno é feita apenas em laboratórios, em ambientes controlados e longe do mundo real.

Para os pesquisadores que dedicaram boa parte da vida acadêmica em busca de respostas sobre o grafeno, esse processo de amadurecimento de uma tecnologia é absolutamente normal e esperado, principalmente quando se trata de um material complexo e recém-descoberto.

“Muitas vezes a ciência não traz benefícios no curto prazo. As baterias de lítio, por exemplo, começaram a ser desenvolvidas na década de 1970. Em 1980 elas foram melhoradas e se tornaram mais seguras com a introdução dos íons de lítio. Mesmo assim, elas só chegaram ao mercado 10 anos depois. Portanto, o grafeno ainda é um material relativamente jovem e sempre tem algo novo surgindo”, explica o doutorando em física da Universidade de São Paulo (USP) Bruno Ipaves.

Controle de qualidade com selo Inmetro

Segundo os especialistas, a indústria ainda não consegue aproveitar o potencial do grafeno por falta de um controle de qualidade mais rigoroso do material produzido pelo mundo. Ainda não existe um sistema universal para avaliar níveis de defeitos, características dimensionais e funcionalidades dos diferentes tipos de grafeno fabricados atualmente em grande escala.

Aqui no Brasil, o Inmetro tenta reverter esse quadro utilizando metrologias avançadas para garantir uma assinatura confiável ao grafeno nacional. Essa atuação inclui desde trabalhos científicos alinhados com organismos internacionais e nacionais de metrologia e padronização (BIPM, VAMAS, ISO, ABNT) até questões específicas de aplicação e controle de qualidade em universidades e fábricas produtoras de grafeno.

“Mesmo assim, não será fácil tornar o grafeno uma commodity, embora a previsão futura seja essa. É necessária a participação coordenada de vários atores nesse processo: academia, indústria e institutos de metrologia, além de órgãos governamentais", explica a pesquisadora da Divisão de Metrologia de Materiais do Inmetro Joyce Araújo. "Seria algo como a montagem de um quebra cabeça: além de se ter as peças em mãos, é necessário encaixá-las de maneira coordenada para que a imagem seja projetada de forma harmônica."

O que já é feito com grafeno

No mundo dos esportes, a raquete usada pelo tenista Novak Djokovic, a Graphene 360+, combina a leveza e a resistência do grafeno, prometendo melhor transferência de energia e mais potência durante as rebatidas, sem deformações permanentes na estrutura. Mas a tecnologia tem seu preço: aqui no Brasil, a raquete custa quase R$ 2 mil.

Já a empresa italiana Vittoria aposta no grafeno como matéria-prima para a fabricação de pneus para bicicletas de alta performance. No site da companhia, o anúncio diz que o grafeno interage com a borracha preenchendo o espaço entre as moléculas, o que aumenta todas as métricas de desempenho e eficiência.

A chinesa Huawei já utiliza películas de grafeno no sistema de resfriamento de alguns de seus smartphones topo de linha. O material consegue dissipar o calor 20% mais rápido do que outros compostos feitos com grafite. Além disso, os filmes de grafeno deixam todo sistema cerca de 30% mais frio.

Aqui no Brasil, a UFMG “turbina” o cimento com nanotubos de carbono para aumentar a durabilidade do material. As fibras nanométricas modificam as propriedades do cimento comum depois do acréscimo de água, resultando em um produto mais resistente a fissuras e à compressão.

Parece ser apenas questão de tempo para que o grafeno faça parte do dia a dia das pessoas e esteja presente em produtos ou equipamentos eletrônicos sem muito alarde. Afinal, para o usuário comum, pouco importa se a bateria é de lítio ou se o painel solar é de silício: desde que o grafeno cumpra tudo aquilo que promete, ele será muito bem-vindo.