Leve, flexível, excelente condutor de calor e eletricidade, quase transparente e cerca de 200 vezes mais resistente que o aço, o grafeno é considerado um material capaz de provocar uma revolução tecnológica na indústria eletrônica. Entre os desafios para seu desenvolvimento e aplicações está sua produção a partir de fontes renováveis. Isso pode ser obtido por meio da tecnologia de grafeno verde induzido por laser (gLIG), que foi o foco de um estudo publicado na revista Applied Physics Reviews, assinado por cientistas brasileiros e portugueses.
Esta tecnologia abre caminho ao fabrico de dispositivos simples, sustentáveis e de baixo custo, baseados em fontes de carbono abundantes e renováveis como a madeira, as folhas, a cortiça, a casca e a celulose. Com isso, deve contribuir para a redução do lixo eletrônico, também conhecido como lixo computacional, e-waste ou e-waste, na sigla em inglês (veja box). Esses termos são usados para designar dispositivos que funcionam com eletricidade, baterias ou baterias.
“O grafeno induzido por laser (LIG) abre a possibilidade de produção simples, econômica e escalável de componentes tecnológicos”, diz o engenheiro de materiais Pedro Ivo Cunha Claro, um dos autores do artigo escrito durante sua pós-graduação na Universidade Federal Universidade de São Carlos (UFSCar) e Universidade Nova de Lisboa (UNL). O pesquisador lembra que os últimos anos têm testemunhado pesquisas cada vez mais extensas em torno do gLIG para integração em diversas aplicações eletrônicas, como supercapacitores, sensores, eletrocatalisadores e nanogeradores triboelétricos.
“As técnicas de processamento assistido por laser surgiram como ferramentas poderosas para uma infinidade de aplicações, desde o processamento de materiais até a fabricação de dispositivos”, diz Claro, atualmente analista de Desenvolvimento Tecnológico do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas ( SP).
Segundo ele, diversos sistemas baseados em gLIG para armazenamento de energia, eletrocatálise, tratamento de água e sensores já foram relatados na literatura. Além disso, gLIG foi proposto para formulação de tinta ou incorporação em matrizes de polímeros, para expandir ainda mais seu uso para substratos não baseados em carbono ou aplicações para as quais o LIG original não pode ser usado diretamente.
“Suas propriedades mecânicas e físico-químicas, como alta resistência mecânica e condutividade elétrica, o tornam um material com enorme potencial de aplicabilidade tecnológica em diversas áreas”, diz o engenheiro.
menos lixo eletrônico
gLIG pode trazer uma revolução na forma como os circuitos integrados e componentes eletrônicos são produzidos. Com isso, essa tecnologia poderá reduzir o lixo eletrônico, que causa danos tanto ao meio ambiente quanto à saúde por conter aditivos tóxicos ou substâncias perigosas como o mercúrio. O próprio processo de obtenção da gLIG é mais limpo, pois não utiliza reagentes tóxicos ou métodos tradicionais.
Em 2019, o lixo eletrônico atingiu o recorde de 53,6 milhões de toneladas métricas em todo o mundo, um aumento de 21% em cinco anos, de acordo com a terceira edição do Monitor Global de Lixo Eletrônico 2020 das Nações Unidas (ONU). O Brasil lidera a geração de lixo eletrônico com 2.141 toneladas entre as nações de língua portuguesa.
Além de Pedro Claro, os autores do artigo são os pesquisadores da Embrapa Instrumentação (SP) Luiz Henrique Capparelli Mattoso e José Manoel Marconcini, e a professora da Universidade Nova de Lisboa (UNL), Elvira Maria Fortunato, atual ministra da Ciência, Technology and Higher Education de Portugal (ver lista completa de autores no final do artigo).
Mattoso, que orientou Claro no Laboratório Nacional de Nanotecnologia para o Agronegócio (LNNA) da Embrapa, em São Carlos (SP), diz que descobertas recentes abrem caminho para a elaboração de eletrônicos verdes escaláveis e de baixo custo. “É possível aplicar gLIG em diferentes substratos, visando o surgimento de materiais eletrônicos vestíveis e comestíveis. A gLIG pode ser extraída de resíduos de madeira, folhas, cortiça e carvão, e de outras fontes naturais, permitindo o desenvolvimento de plataformas flexíveis e sustentáveis como alternativa às tecnologias convencionais”, afirma o investigador, especialista em nanotecnologia.
“Conseguimos usar a tecnologia LIG para projetar circuitos à base de grafeno, convertendo as cadeias de carbono associadas a qualquer biopolímero ou material celulósico, o que se traduz em uma grande melhoria nos recursos necessários para desenvolver bioeletrônica sustentável que contribui para o bem-estar de bem-estar e conforto dos cidadãos”, relata o coordenador do Centro de Pesquisa de Materiais da UNL (Cenimat), Rodrigo Martins, que também assina o estudo.
Cortiça, madeira e até folhas podem ser matéria-prima
Responsável por introduzir a nanotecnologia e estudos com novos materiais no agro brasileiro, Mattoso explica que a cortiça, que é a casca da árvore, é um substrato que tem despertado muito interesse e é considerado uma fonte promissora de gLIG, pela possibilidade de ser um material híbrido que permite flexibilidade e leveza.
A Claro diz que esses substratos podem ser convertidos diretamente em gLIG, principalmente devido ao alto teor de lignina presente em sua composição. O cientista esclarece que um maior teor de lignina é mais favorável para produzir gLIG de melhor qualidade, com a possibilidade de selecionar o precursor bruto mais adequado para cada aplicação de destino e adaptar as funções químicas e condutivas dos padrões de gLIG resultantes.
“Do ponto de vista ambiental e económico, estes suportes podem ser um dos materiais mais versáteis da natureza, com extraordinárias características intrínsecas, como a biodegradabilidade, impermeabilidade, leveza e resistência a diferentes condições térmicas, conferindo novas funcionalidades para além das já existentes. utilização consolidada no fabrico de rolhas de vinho”, explica Claro.
A madeira, por outro lado, tem potencial para produzir gLIG devido à sua superfície uniforme e lisa, o que permite fácil padronização de várias arquiteturas de eletrodos desejadas. No entanto, sua aplicabilidade é limitada devido à rigidez e decomposição da estrutura lignocelulósica após a passagem do laser. Mesmo assim, é uma grande promessa para dispositivos eletrônicos que não requerem grande esforço mecânico.
Outra fonte natural de matéria-prima apontada pelo pesquisador é o carvão mineral.[FRdC01] [PC2] uma rocha sedimentar orgânica rica em carbono, produzida a partir da compactação e endurecimento de restos vegetais alterados.
Folhas de plantas, por sua vez, poderiam ser aplicadas em dispositivos vestíveis, mas a processabilidade é limitada por seu tamanho e resistência mecânica, bem como pela degradação ao longo do tempo.
subprodutos processados
Marconcini lembra que esforços recentes têm sido feitos para produzir LIG a partir de outros substratos à base de carbono, de diversos materiais, de polímeros termoplásticos a têxteis e alimentos, como casca de batata, pão e casca de coco. A versatilidade e o potencial desses materiais já foram demonstrados em diversas aplicações.
O que é grafeno e gLIG
Material mais fino do mundo, o grafeno é produzido a partir do grafite, e é um cristal bidimensional formado por ligações entre átomos de carbono, organizados em estruturas hexagonais semelhantes a um favo de mel.
O gLIG, por outro lado, é um material emergente e altamente sustentável, obtido por uma técnica chamada escrita direta a laser (LDW) – fabricação tridimensional (3D) a partir de substratos naturais que oferece versatilidade geométrica significativa que atinge escalas de comprimento micrométrico.
Essa nova tecnologia é desenvolvida em temperatura ambiente, sem nenhum tipo de reagente, enquanto o grafeno convencional é produzido em altas temperaturas, em torno de mil graus centígrados, utilizando equipamentos muito caros e complexos. A eliminação de tratamentos químicos garante alta eficiência de conversão, minimizando tempo e consumo de energia no processo de gravação.
A escrita direta a laser (LDW), como é conhecida, é um método de abordagem sem máscara, sem catalisador, não tóxico, controlável e sem contato, permitindo o processamento rápido, direto e eficiente de estruturas complexas. Essa técnica se assemelha a um tipo de gravura baseada em reações fototérmicas, transformando a superfície gravada em um material de interesse tecnológico.
Perspectivas
Desde a sua descoberta em 2004, o grafeno e nanomateriais bidimensionais (2D) semelhantes têm sido intensamente estudados e atraídos muito interesse devido às suas propriedades físico-químicas promissoras, com alguns produtos disponíveis comercialmente mostrando desempenhos promissores em comparação com outras fontes verdes.
A União Europeia criou um consórcio, o Graphene Flagship, composto por 150 parceiros e com um orçamento total de 1 bilhão de euros. O projeto abrange vários campos, desde a pesquisa fundamental até a comercialização de longo prazo do grafeno.
Esforços semelhantes, com o objetivo de desvendar e explorar plenamente as propriedades do grafeno, estão sendo realizados em todo o mundo, inclusive no Brasil, grande produtor de grafite e detentor de uma das maiores reservas mundiais do mineral. Até agora, o grafeno foi implementado com sucesso em armazenamento de energia, área ambiental, aplicações biomédicas, entre outras.
Para Mattoso, embora muitos desafios ainda precisem ser superados, há oportunidades para que diferentes métodos de processamento, materiais e produtos entrem no mercado, pois é um material versátil e pode ser combinado com outros elementos para produzir diferentes materiais com propriedades superiores. Além de todas as vantagens, a gLIG também pode contribuir para os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU.
Autores do artigo
Os autores do artigo científico são: Pedro Claro (UFSCar); Tomás Pinheiro, Sara L. Silvestre, Ana C. Marques, João Coelho, Rodrigo Martins Elvira Fortunato (Universidade Nova de Lisboa); Luiz HC Mattoso e José M. Marconcini (Embrapa).
O trabalho contou com o apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) e do Sistema Nacional de Laboratórios de Nanotecnologia (SisNano). O projeto foi financiado pela Agência Executiva do Conselho Europeu de Investigação (ERC) e pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT).
