O carbono é um elemento químico realmente formidável. Já falamos dele no artigo sobre polímeros. Esse elemento tem uma capacidade ímpar de formar uma variedade enorme de compostos como nenhum outro elemento da tabela periódica é capaz. Se considerarmos apenas os materiais compostos unicamente de carbono, podemos citar dois alótropos muito conhecidos: o diamante e o grafite.
Alotropia ou Polimorfismo
A alotropia se refere à materiais que apresentam a mesma composição química. No entanto, suas estruturas cristalinas (a forma como os átomos se arranjam no espaço) é diferente. O diamante, por exemplo, é baseado numa estrutura tridimensional de átomos de carbono, que se arranjam numa estrutura cúbica. Por outro lado, o grafite possui uma estrutura hexagonal. No caso do grafite, cada átomo de carbono se liga a outros três átomos de carbono, formando um empilhamento de diversas folhas que parecem com colmeias de abelha. A Figura 1 mostra a estrutura cristalina dos principais alótropos do carbono.
Figura 1 – Representação das estruturas cristalinas do Grafite e do Diamante.
É interessante notar como a estrutura cristalina tem enorme influência sobre as propriedades dos sólidos. O diamante é transparente e apresenta dureza elevadíssima (na verdade é o material natural com maior dureza conhecido). Já o grafite é opaco e sua dureza é relativamente baixa. Quando você escreve com o lápis, várias camadas de grafite são depositadas sobre o papel. Isso ocorre, pois várias folhas do grafite podem “deslizar” umas sobre as outras facilmente, já que não há ligações covalentes unindo tudo.
Descoberta do Grafeno
Conhecendo a estrutura cristalina do grafite, os pesquisadores Konstantin Novoselov e Andre K. Geim, da Universidade de Manchester fizeram algo que era considerado impossível: em 2004 eles isolaram pela primeira vez uma única folha de átomos de carbono, a partir do grafite. Acreditava-se que isolar uma única camada de átomos não seria possível, pois essas folhas iriam se enrolar nelas mesmas, formando estruturas como tubos (formando nanotubos de carbono) ou esferas de carbono (formando os fulerenos).
Novoselov e Geim mostraram para o mundo que isolar uma única folha de átomos de carbono era, sim, possível. Para fazer isso, eles utilizaram uma técnica incrivelmente simples: a ideia deles consistiu em colar uma fita adesiva num pedaço de grafite, arrancando algumas das suas camadas. Daí eles usaram uma segunda fita adesiva e a encostaram na primeira fita, separando ainda mais as folhas. Eles repetiram o processo mais algumas vezes até conseguirem uma única camada de átomos de carbono: o grafeno. O processo descrito é conhecido como esfoliação mecânica do grafite (veja a Figura 2). Essa descoberta foi tão importante que rendeu para os dois pesquisadores o prêmio Nobel em 2010!
Figura 2 – Processo de esfoliação mecânica do grafite, para a obtenção do grafeno.
Por que o grafeno é tão extraordinário ?
Acabamos de ver como a estrutura cristalina é fator decisivo nas propriedades dos sólidos. Embora o grafeno possa ser obtido a partir do grafite, o fato de conseguirmos isolar apenas uma folha de átomos de carbono muda a história completamente!
Em primeiro lugar, o grafeno é um nanomaterial bidimensional (veja a Figura 3). Para estudar de maneira mais aprofundada os nanomateriais, não tem como escapar da Física Quântica! É a Física quântica e suas subáreas (como a Física do Estado Sólido e a Física da Matéria Condensada) que explicam os fenômenos associados a dimensões muito pequenas. Esse é o caso do grafeno, que possui espessura da ordem de 0,1 nanômetros. Só para você ter uma ideia, isso é aproximadamente 1 milhão de vezes menor que a espessura de um fio de cabelo. Vamos tratar de algumas ideias de Física do Estado Sólido em futuros posts, como a teoria de bandas, magnetismo e luminescência. Por isso, fique ligado!
Figura 3 – Representação esquemática da estrutura cristalina do grafeno.
Voltando ao grafeno… O fato dele apresentar uma estrutura cristalina bidimensional tem impactos importantes nas suas propriedades. A primeira delas é no transporte de elétrons. Os elétrons livres são responsáveis pela condutividade elétrica do grafite e também do grafeno. A diferença é que devido à estrutura cristalina do grafeno, os elétrons podem se mover em velocidades próximas à velocidade da luz do material (vamos entrar em mais detalhes em futuros posts). De qualquer forma, para você ter um ideia melhor, a densidade de corrente elétrica medida no grafeno é 1 milhão de vezes superior à do cobre!
O grafeno é tão fino que é opticamente transparente (em torno de 97% da luz consegue atravessar o grafeno). Isso é ideal para a fabricação de novas telas sensíveis ao toque. Hoje em dia essas telas (presentes nos smatphones, tablets e em alguns monitores) são baseadas em elementos químicos como o índio e o estanho, que são muito menos abundantes na natureza do que o carbono.
O grafeno é o material com maior resistência mecânica conhecido. O limite de resistência à tração do grafeno é de 130 GPa, o que pode chegar a ser 200 vezes superior a algumas ligas de aço. Essa incrível resistência já está sendo aproveitada na fabricação de compósitos de matrizes poliméricas e para reforçar o concreto.
A lista de qualidades do grafeno não para aí. É um condutor térmico incrível, apresenta elevada flexibilidade e altíssima área de superfície específica. É também um material incrivelmente impermeável (nem os pequeninos átomos de hélio conseguem atravessar uma folha de grafeno). Acho que agora você consegue entender por que tanta gente pesquisa esse material!
Há muitos desafios a serem superados ainda. Um desafio enorme está relacionado à produção do grafeno em larga escala. Métodos como a deposição química à vapor (CVD), esfoliação química, utilização de arcos elétricos e lasers já foram propostos para produção do grafeno. Muitos dos métodos, porém, geram grafeno com grande número de defeitos estruturais (lembra da importância da estrutura ?).
Mas um artigo é muito pouco para falar desse material incrível e das descobertas que sucederam a obtenção do grafeno. Por isso, fique ligado que, em breve, mais conteúdo sobre o grafeno e outros nanomateriais vai chegar por aqui!
Dedico esse artigo ao meu gatuno, Nico, com quem convivi por 19 anos e que se foi no dia de hoje….
Descanse em paz meu amigão! Você estará sempre no meu coração!
