Aprenda um pouco sobre o Grafeno
Grafeno é uma forma de carbono que consiste
de uma folha planar de átomos de carbono com um único átomo de
espessura, ganhou uma reputação de um material extraordinário. Ele é o
melhor condutor já descoberto de calor à temperatura ambiente e é 40
vezes mais forte que o aço. Tambem é um semicondutor cuja condutividade
elétrica é 1.000 vezes melhor do que o silício. Isto significa que ele
poderia ser usado para fazer dispositivos muito mais sensíveis do que é
possível atualmente, levando alguns a prever que ele um dia será o
material de escolha para os chips dos computadores. Houve surpresa,
portanto, quando Andre Geim (foto acima) e Konstantin Novoselov, dois
físicos que investigavam a estrutura do grafeno, ganharam o prêmio Nobel
de 2010 pelo trabalho deles.
Atualmente, convertendo as maravilhas do
grafeno em produtos tem sido difícil. Mas Frank Koppens e seus colegas
no Instituto de Ciências Fotônicos em Barcelona acreditam ter encontrado
uma maneira de fazê-lo. Como eles descrevem na revista Nature
Nanotecnologia, eles acreditam que o Grafeno pode ser usado para fazer
fotodetectores ultra-sensíveis e de baixo custo. Fotodetectores são
dispositivos que convertem a luz em eletricidade. Eles são usados em
câmeras digitais, visão noturna, imagens biomédicas, sensores de
poluição e na telecomunicação. Um fotodetector típico é feito de um chip
de Silício em alguns milímetros dele a luz é focada por uma lente
pequena. A luz que incide sobre o chip bate nos elétrons livres de
alguns dos átomos de silício, produzindo um sinal que a parte eletrônica
do chip converte em uma imagem ou outras informações úteis.
Fotodetectores de silício sofrem, todavia,
uma desvantagem: eles são inflexíveis. Também não são particularmente
baratos. E eles não são tão sensíveis. Eles absorvem apenas 10-20% da
luz que incide sobre eles. Durante anos, portanto, os engenheiros estão
a procura de baratos, flexíveis e sensíveis fotodetectores. Tal
dispositivo pode ter muitas aplicações: novas roupas eletrônicas, por
exemplo. Com um pouco de engenharia inteligente, o Grafeno parece caber
na conta. Por si só, o Grafeno é pior do que o Silício na absorção de
luz. Segundo o Dr. Koppens apenas 2,7% dos fótons que caem sobre ele são
capturados. Mas ele e os seu Colega Gerasimos Konstantatos conseguiram
aumentar para mais de 50% espalhando minúsculos cristais de sulfureto
de chumbo na superfície do material. Estes cristais são tão pequenos
(três a 10 nanômetros de diâmetro, um nanômetro é um bilionésimo de
metro) que são conhecidos como pontos quânticos, porque em dimensões
medidas em nanômetros os estranhos efeitos da mecânica quântica começam a
se manifestar. Um deles é que o tamanho de um ponto quântico afeta a
cor da luz que ele melhor absorve. Quanto maior o ponto, mais vermelha a
luz , e menor, ao contrário, mais azul. Isso permite que o Dr. Koppens e
Dr. Konstantatos cosigam abranger todos os comprimentos de onda do
ultravioleta ao infravermelho, aumentando a utilidade de qualquer
fotodetector que possa surgir. Infra-vermelho, por exemplo, é importante
nas telecomunicações e visão noturna. Comprimentos de onda visíveis,
pelo contrário, são necessários para as câmaras e células solares.
Segundo o Dr. Koppens, a interação entre os
pontos e o Grafeno funciona porque o Grafeno tem tantos elétrons móveis
em sua estrutura. (Esta é a razão pela qual é tal um bom condutor de
calor e eletricidade). Esta abundância de elétrons livres torna
particularmente sensível às mudanças induzidas em um ponto quântico
quando ele absorve um fóton de luz: cada fóton incidente mobiliza cerca
de 100 milhões de elétrons . No jargão da engenharia eletrônica,
portanto, o quantum ponto-grafeno híbrido tem enorme alta de "ganho" . E
isso significa que o material pode ter aplicações ainda mais amplas do
que as câmeras snazzy e roupas inteligentes. O que o Dr. Koppens e o Dr
Konstantatos realmente fazem é criar as entranhas de um transistor, que
é regulado pela luz.Transistores comuns são interruptores em que uma
corrente elétrica (geralmente uma fraca) é usado para regular a passagem
de uma outra (em geral, muito mais forte). Qualquer sinal transportado
pela corrente fraca é, assim, amplificado em um transportado pela
corrente forte -um sistema de alto ganho. Esses transistores são os
cavalos de batalha da eletrônica convencional. Mas os transistores
optoeletrônicos, particularmente aqueles com ganho elevado, são muito
mais difíceis de fazer. Que é uma pena, pois eles são muito demandados
no mundo em redes de telecomunicações, no qual os sinais são processados
localmente como elétrons, mas são transmitidas de longa distância como
luz.
No momento Dr Koppens e seus colegas dizem
que objetivo deles é criar "o detector mais fino e mais flexível do
mundo". É notável, entretanto , que eles realmente depositaram o seu
experimento quantum ponto-Grafeno em um pedaço de Silício. Seu propósito
em fazê-lo foi o de mostrar que as malhas tecnológicas com o padrão de
técnicas de processamento de Silício usadas para fazer os chips de
computador. Muitos tentaram superar as barreiras que se interpõem no
caminho da integração das tecnologias da informação que são baseados em
elétrons como aquelas baseadas em fótons, e ninguem tem inequivocamente
sucesso. Se o Dr. Koppens é o homem para fazê-lo continua a ser visto.
Mas se ele é, então certamente terá justificado o bafafá que o Grafeno
despertou.
Como Grafeno vai mudar sua vida
Camada
de carbono com um átomo de espessura, o grafeno entusiasma desde sua
redescoberta, em 2004, pela promessa de muitas aplicações: próteses
resistentes e flexíveis, celulares e tablets enroláveis e internet
ultraveloz, entre outras. Em 2010 foram publicados três mil ensaios
sobre esse novo material.
Por Eduardo Araia
Um material tão ou mais revolucionário do que o silício e
o plástico, extremamente forte, leve, flexível, ótimo condutor de
eletricidade e quase totalmente transparente. Esse é o cartão de visitas
do grafeno, que deu o Prêmio Nobel de Física de 2010 para Andre Geim e
Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester (Grã-Bretanha) – o
dínamo de uma provável nova era industrial. Essa fina lâmina de carbono
de um átomo de espessura não é exatamente uma novidade. Ela já havia
sido notada em 1947, pelo físico canadense P. R. Wallace, no estudo das
propriedades eletrônicas da grafite, o metal usado na fabricação de
lápis, de onde o grafeno também é extraído. Mas obter uma amostra dela
fosse então considerado impossível.
O grafeno só foi observado pela primeira vez em 1962, pelos
químicos alemães Ulrich Hofmann e Hanns-Peter Boehm. Foi Boehm quem o
batizou. Mas suas propriedades ficaram desconhecidas por décadas, até
ele reaparecer em grande estilo em 2004, na Universidade de Manchester.
Curiosamente, a cidade que se tornou símbolo da Revolução Industrial, no
início do século 19.
 A estrutura atômica hexagonal das moléculas do grafeno proporciona máxima flexibilidade com extrema resistência.
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Dois cientistas emigrados da Rússia – o holandês Geim, diretor do
departamento de Física da universidade, e o russo-britânico Novoselov,
pesquisador de pós-doutorado – começaram a pensar, em Manchester, na
criação de uma substância bidimensional que servisse de opção ao silício
usado em semicondutores. Decidiram fazer experiências com a grafite e
buscaram obter a mais fina fatia possível desse metal para ver como
funcionaria.
De modo inesperado, nos fragmentos presos em uma fita adesiva que
os cientistas usavam para limpar a superfície de um bloco de grafite,
surgiu o grafeno. Examinados em um microscópio atômico, esses resíduos
foram testados e, já na primeira tentativa, funcionaram bem como
transistores.
A partir daí, e durante meses, a equipe de Geim e Novoselov foi
melhorando a condutividade do fragmento, tornando-o cada vez mais fino,
até chegar à espessura de um átomo. Para surpresa dos cientistas, o
material ultrafino não só mantinha uma estrutura de ligação hexagonal,
semelhante à de uma cerca de galinheiro, como também apresentava um
peculiar arranjo simétrico de elétrons que aumentava sua condutividade.
A descoberta dessas e de outras propriedades do grafeno,
divulgadas por Geim e Novoselov ainda em 2004, rendeu-lhes seis anos
depois o Nobel de Física, e deu início a uma corrida ao material em
várias partes do mundo. Desde então, ele continua a surpreender os
pesquisadores com um potencial aparentemente ilimitado de
aproveitamentos – só em 2010, foram publicados cerca de 3 mil estudos a
esse respeito. “O grafeno não tem apenas uma aplicação”, afirma Geim.
“Não é nem mesmo um material: é uma enorme gama de materiais. Uma boa
comparação seria a maneira como os plásticos são usados.”
As pesquisas se espalham por várias direções e suas
possibilidades têm deixado muita gente eufórica – o governo britânico,
por exemplo, vai investir 50 milhões de libras (cerca de R$ 144 milhões)
nas pesquisas da equipe da Universidade de Manchester e na criação de
um centro regional que leve conhecimentos para as indústrias. Mas vários
pesquisadores ressalvam que a novidade deve ser vista com mais cautela.
 Andre Geim (à esq.) e Konstantin Novoselov ganharam o Nobel de Física de 2010 por pesquisas com o grafeno.
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Para Novoselov, por exemplo, é preciso tempo para o grafeno ser
viabilizado industrialmente. O silício, lembra, só passou a ser usado em
transistores seis ou sete anos após o seu surgimento, e os primeiros
circuitos integrados só foram fabricados 10 ou 20 anos depois disso. Mas
as perspectivas são entusiasmantes.
O pesquisador Phaedon Avouris, da IBM, diz que o grafeno ainda
não substitui o silício, pois, embora seja um excelente condutor, não
pode ser “desligado”, o que o tornaria inviável para certas utilizações.
Todo o potencial tem de ser testado na prática: “O tipo de força que as
pessoas citam pode nem mesmo se aplicar a amostras microscópicas”,
ressalta o físico Yu-ming Lin, também da IBM.
No geral, a comunidade acadêmica está deslumbrada. Muitos apostam
que o grafeno vai ser um protagonista de peso em nosso cotidiano nos
próximos tempos. Segundo Novoselov, ele pode inclusive significar a
porta para a criação de objetos que ainda pertencem ao reino da
imaginação. “A verdadeira empolgação, atualmente, é a forma como podemos
agora recobrir o grafeno com diferentes materiais bidimensionais, cada
camada possuindo propriedades diferentes”, ressalta. Os limites para o
grafeno ainda terão de ser descobertos
Como Grafeno vai mudar sua vida
Camada
de carbono com um átomo de espessura, o grafeno entusiasma desde sua
redescoberta, em 2004, pela promessa de muitas aplicações: próteses
resistentes e flexíveis, celulares e tablets enroláveis e internet
ultraveloz, entre outras. Em 2010 foram publicados três mil ensaios
sobre esse novo material.
Por Eduardo Araia
Recordes de
desempenho
1 metro quadrado
de rede de grafeno poderia suportar um gato de 4 quilos; a rede pesaria 0,77 miligrama e seria praticamente invisível
200 vezes
maior que a do aço é a sua resistência
6 mil átomos
ou seja, uma área inferior a 20 nanômetros – tornam o grafeno o
material termodinamicamente mais instável conhecido. Mas com 24 mil
átomos ele se torna o material mais estável conhecido
100 milhões
de dólares por cm2 quadrado era o preço do grafeno em 2008; em 2009,
o início da produção em escala derrubou o valor para US$ 100/cm2
150 gigahertz
é a velocidade do transistor criado pela IBM usando grafeno; o mais rápido de silício alcança cerca de 40 GHz
3 milhões
de camadas de grafeno empilhadas têm altura de 1 milímetro
1 átomo
é a espessura do material
Teia de aplicações
Aparelhos com telas sensíveis ao toque
Quase todos os aparelhos eletrônicos disponíveis possuem telas com
óxido de índio-estanho, uma substância transparente e ótima condutora. O
índio, porém está cada vez mais raro. Já o grafeno vem do abundante
carbono. Com ele, as telas touchscreen ganhariam uma qualidade
adicional: flexibilidade. Pesquisadores sul-coreanos trabalhando em
parceria com a Samsung abriram o caminho, ao produzir uma camada
contínua de grafeno com 63 centímetros de largura de uma forma que
facilita a fabricação em massa. As telas flexíveis podem ser o ponto de
partida para aparelhos como celulares e tablets capazes de ser enrolados
como uma folha de papel. Para tanto, o restante desses artefatos também
teria de ser flexível, mas esse é um obstáculo menor do que se imagina.
A IBM já montou um transistor de grafeno em escala de placa
semicondutora, e no ano passado apresentou um modelo conceitual de
circuito de grafeno. A Nokia estuda o uso do grafeno em aparelhos
móveis, trabalhando com a ideia de artefatos transparentes e munidos de
células solares. Os primeiros aparelhos entortáveis deverão chegar ao
mercado em 2013.
Internet
O grafeno pode ajudar a tornar a internet muito mais rápida.
Cientistas das universidades de Manchester e de Cambridge aperfeiçoaram
dispositivos baseados no grafeno para uso de fotodetectores em sistemas
ópticos de comunicação em alta velocidade. Ao combinar grafeno com
nanoestruturas metálicas, os pesquisadores conseguiram transmitir a luz
numa velocidade 20 vezes maior. Notaram ainda que, ao colocar as
estruturas sobre o grafeno e iluminá-las, obtinham energia: o conjunto
resultante comporta-se como uma célula solar. A eficiência na
transmissão de luz deverá aumentar com novas pesquisas.
Próteses
Com o grafeno será possível produzir membros mais resistentes,
flexíveis e leves. Além disso, sua boa condutividade lhe permitiria
integrar eletrodos usados para converter sinais cerebrais em movimento.
Células de hidrogênio
Folhas de grafeno oxidadas e sobrepostas armazenam hidrogênio com
alto grau de impermeabilidade. Isso as torna ótima opção para o
rendimento do combustível de veículos “verdes”.
Indústrias civil, automotiva, aeronáutica e naval
Materiais compostos que contêm grafeno teriam enorme resistência
(o que aumenta a segurança em caso de acidentes) e seriam leves,
portanto mais econômicos em relação aos usados hoje.
Painéis solares
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts afirmam que
o grafeno tornaria os eletrodos das células solares orgânicas
(constituídas de moléculas à base de carbono) mais leves, flexíveis e
baratos do que os disponíveis hoje.
Iluminação
Por ser eletroquimicamente estável, o grafeno é ideal para ser
usado em células eletroquímicas emissoras de luz (LEC). Uma combinação
de uma camada orgânica transparente com dois eletrodos de grafeno dá
origem a janelas e portas quase transparentes quando desligadas, que se
tornam fontes de luz quando ligadas.
MAS JÁ TEM NOVIDADES A MAIS
Informática
Concorrente do grafeno é utilizado para fazer circuitos
Molibdenite poderia ter uma vantagem crucial sobre o grafeno tornando a eletrônica menor e mais rápida.
- Terça-Feira, 31 de Janeiro de 2012
- Por Patrick Cain
- Tradução por Elisa Matte (opinno)
Os primeiros circuitos lógicos feitos usando folhas de um material
chamado molibdenite com um átomo de espessura sugerem uma possível nova
solução para o problema de tirar mais energia de componentes
de silício para computadores.
Material Novo na Cena: Folhas de um átomo de espessura de molibdenite no final destas ligas de ouro atuam como transistores.
Fonte: EPFL
Também estabelece o molibdenite como um concorrente do grafeno, com
as folhas de um átomo de espessura de carbono que se acredita serem
capazes de resolver as deficiências do silício, e cujos criadores
receberam um prêmio
Nobel em 2010.
A tecnologia do silício está em apuros porque, durante anos, o
desempenho foi melhorado, reduzindo o tamanho dos componentes em chips
de silício , mas essa miniaturização tem limite. Chips serão colocados à
venda este ano, com componentes de até 22 nanômetros e, em escalas
muito pequenas, tecnologia de silício enfrenta problemas como oxidação, o
que reduz o desempenho e provoca perdas de energia.
Molibdenite, ou MoS2, poderia permitir que aparelhos eletrônicos ficassem menores ainda sem tais problemas, diz
Andras Kis,
que liderou uma equipe do Instituto Federal Suíço de Tecnologia, em
Lausanne, na Suíça, para fazer os primeiros circuitos lógicos
integrados, a base dos chips de computador, utilizando-se folhas de
molibdenite.
Folhas do material com 0,65 nanômetros de espessura e cerca de 10
mícrons de diâmetro foram retirados a partir de cristais de ocorrência
natural de molibdenite. As folhas foram transformadas em transistores
colocando-as em um wafer de silício e adicionando-se conexões elétricas
de ouro. Os transistores ligados funcionavam como portas lógicas, a base
de componentes de computação digital
Pesquisadores que procuram alternativas ao silício têm trabalhado com
o grafeno por anos, fazendo, por exemplo, transistores protótipo que
operam em
velocidades muito mais elevadas
do que os de silício . No entanto, molibdenite tem uma vantagem
crucial, diz Kis. "A coisa boa sobre o nosso material é que às vezes ele
pode conduzir a corrente, às vezes não."
Para fazer o trabalho do silício na eletrônica, um material precisa
ser capaz de alternar entre condutor e não condutor de sinal digital de
1s e 0s, algo possível graças a uma propriedade eletrônica conhecido
como um "gap". o Molibdenite, naturalmente, tem um gap adequado para uso
em eletrônica, enquanto que o grafeno não. Dar ao grafeno um gap
envolve técnicas complexas, como a fabricação de folhas do material,
resfriando-o a baixas temperaturas, ou cortando-o em formas muito
precisas.
Informática
Concorrente do grafeno é utilizado para fazer circuitos
(Página 2 de 2)
- Terça-Feira, 31 de Janeiro de 2012
- Por Patrick Cain
- Tradução por Elisa Matte (opinno)
"Todo mundo estava dizendo 'de grafeno, o grafeno, o grafeno", então
pensamos, vamos olhar para algo um pouco diferente ", diz Kis. "Há muito
mais atenção voltada para o MoS2 agora." Apesar de sua equipe usar
molibdenite natural, o composto pode ser geradofacilmente pela reação de
enxofre com o molibdênio, metal largamente utilizado na indústria
siderúrgica.
James Hone na Universidade de Columbia estuda grafeno e também
molibdenite. Ele diz que a equipe suíça fez bom trabalho ao encontrar
uma maneira de permitir que os elétrons fluam livremente de eletrodos de
ouro para o molibdenite, uma vez que os dois materiais não fazer uma
boa conexão naturalmente. A equipe de Kis resolveu o problema
adicionando "portões" de óxido de háfnio que funcionam como rampas de
acesso elétrica entre os terminais de ouro e molibdenite.
A equipe suíça criou um benchmark de desempenho para a molibdenite,
Hone diz. "Estamos começando a ver que a diversão vai vir com a mistura e
combinação desses materiais 2-D e diferentes substratos para diferentes
funcionalidades", diz ele. "Muitas pessoas estão interessadas agora, o
progresso está acontecendo tão rápido."
No entanto, apesar do molibdenite parecer um caminho promissor para
se explorar, a indústria de bilhões de dólares do silício não está em
risco de desaparecer em breve, diz Kis. "Ainda existem muitas perguntas,
como de que forma ampliar isso para grande escala", diz ele. "As
pessoas realmente sabem tudo que há para saber [sobre silício]. Ainda há
muito a ser explorado sobre o molibdenite."
Bateria de grafeno coleta energia termal do ambiente
21/03/2012
Bateria de grafeno coleta energia termal do ambiente
Diagrama da célula termal de grafeno, que captura energia térmica do
ambiente continuamente, sem nenhum recarregamento. [Imagem: Zihan Xu]
Coletor de energia do calor
Cientistas da Universidade Politécnica de Hong Kong afirmam que ter
inventado um novo tipo de gerador/coletor de energia que depende
unicamente do calor ambiente para funcionar.
Embora o chamem de "bateria", os cientistas afirmam que seu dispositivo
captura a energia termal de íons em uma solução e a converte em
eletricidade - sem a necessidade de nenhum tipo de recarregamento.
A invenção poderá ser útil em uma série de dispositivos de colheita de
energia, como a alimentação de implantes médicos ou de equipamentos
portáteis, usando como fonte de energia o calor do corpo.
Mas, se a descoberta for confirmada, não parecem haver motivos que
impeça que ela seja usada em larga escala, para a criação de fontes de
energia ambientalmente amigáveis.
Energia dos íons
Quando em solução aquosa, a temperatura e pressão ambientes, os íons viajam a centenas de metros por segundo.
Isso significa que a energia termal desses íons pode atingir vários kilojoules por quilograma por grau de temperatura.
Mas têm sido poucas as pesquisas que tentam capturar essa energia e
aproveitá-la de forma útil - transformando-a em eletricidade, por
exemplo.
Zihan Xu e seus colegas afirmam ter conseguido isto conectando eletrodos de ouro e prata a uma tira de grafeno.
Eles relatam que seis dessas células colocadas em uma solução de íons de cloreto de cobre produzem uma tensão de até 2 Volts.
Isso é suficiente para acender um LED, o que é impressionante dadas as dimensões envolvidas.
Apenas seis células do coletor/gerador termal são suficiente para alimentar um LED. [Imagem: Zihan Xu]
Gerador contínuo
Mais impressionante ainda é o fato de que nem a solução de cloreto de
cobre, assim como nenhum outro componente da bateria/gerador precisa ser
substituído e nem recarregado.
Ao contrário das baterias de íons de lítio, que convertem a energia
química em eletricidade, e precisam ser recarregadas, essa
bateria/gerador de grafeno só depende do calor do ambiente para
funcionar.
"A saída de nosso dispositivo é contínua, e ele funciona unicamente
coletando a energia termal do entorno dos íons de cloreto de cobre. Ou
seja, em teoria, ele funciona de forma ilimitada," disse Xu.
Célula termal de grafeno
Sendo assim, o aparelho funcionaria de forma mais parecida com
uma célula solar, com a diferença que coleta a energia térmica, em vez
da energia luminosa.
Os íons de cobre colidem continuamente com a fita de grafeno, deslocando seus elétrons.
Esses elétrons podem se combinar com os íons de cobre ou viajar através
da fita de grafeno e sair pelos eletrodos, gerando a saída elétrica.
Esse é, na verdade, o caminho preferido dos elétrons, já que eles podem
viajar muito mais rapidamente pelo grafeno do que pela solução iônica.
E o grafeno parece ser a parte essencial desse gerador/coletor de
energia, já que experimentos com grafite e filmes de nanotubos de
carbono não apresentaram os mesmos resultados.
O artigo descrevendo a descoberta ainda não foi publicado por uma
revista científica, o que significa que esse novo gerador/coletor de
energia termal ainda precisa de revisão e confirmação por outros
cientistas.
Plâncton encontrado no oceano (Foto: Divulgação/
Fitoplâncton oceânico; micro-organismos absorvem carbono (Foto: Divulgação/Universidade da Califórnia)
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Esquema da estrutura do grafeno
