Grafeno: Cientistas e industriais unem forças para criar aplicações

Texto: Marcia Mariano

Mais forte que o aço, mais leve que o ar e mais fino que um fio de cabelo, o grafeno despertou interesse mundial ao ser redescoberto e isolado em 2004 por pesquisadores da Universidade de Manchester, na Inglaterra. O extraordinário feito rendeu aos cientistas André Geim e Konstantin Novoselov o Prêmio Nobel de Física de 2010. Ao revelarem ao mundo experimentos com grafeno na forma de um material inovador superflexível, inquebrável e capaz de conduzir calor e eletricidade tão bem quanto o cobre, os cientistas deram a largada para a corrida da indústria em busca do chamado “ouro cristalino”, que promete revolucionar vários setores como automotivo, mecânico, têxtil, microeletrônica, celulose, aeroespacial, entre outros.

Descoberto em 1962, mas pouco conhecido fora da comunidade científica até então, o grafeno, material feito partir do minério de grafite, apresenta uma estrutura com os átomos de carbono dispostos em formato hexagonal, o que lhe confere características excepcionais de leveza, transparência, impermeabilidade e resistência 200 vezes superior ao aço, segundo os cientistas.

Considerado o “novo silício” por sua grande aplicabilidade tecnológica, o grafeno vem impulsionando pesquisas e projetos desenvolvidos em rede global com universidades da Inglaterra, China, Coreia do Sul, Estados Unidos e Brasil, país considerado estratégico por suas reservas minerais. Estima-se que as reservas mundiais de grafite alcancem 131,4 milhões de toneladas, das quais 59,5 milhões estão no Brasil, particularmente, em Minas Gerais, Ceará e Bahia.

Material valioso – O grafeno não apresenta um valor único. O preço depende do processo de produção, do tipo de grafeno e das propriedades do material, podendo variar de US$ 750 a US$ 2.000 por quilograma. Segundo o DNPM – Departamento Nacional de Produção Mineral, de um kg de grafite se pode extrair 150 g de grafeno. Hoje, a tonelada métrica de grafeno custa cerca de 500 vezes mais do que o mineral bruto. Pesquisadores da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) avaliam que o mercado de grafeno deverá movimentar cerca de US$ 1 trilhão de dólares nos próximos dez anos.

Embora seja atrativo comercialmente, investir na produção de materiais de grafeno exigirá, além de capital, um ambiente econômico que favoreça o desenvolvimento nas áreas de ciência e tecnologia, caso contrário, o Brasil corre o risco de se manter apenas como exportador do grafite, enquanto outros países, mais adiantados, anunciam novidades em produtos, como um vestido high-tech de náilon, que muda de cor em sincronia com a respiração do usuário, usando pequenas luzes de LED. Considerado o primeiro vestuário feito com grafeno em Manchester, na Inglaterra, a peça foi desenvolvida por pesquisadores em parceria com uma empresa de tecnologia wearable (vestível) e apresentada ao público em janeiro deste ano. O grafeno foi usado como sensor para traduzir o batimento cardíaco na energia que alimenta as luzes da roupa.

Em maio, a marca italiana esportiva Deewear lançou uma coleção com a tecnologia de revestimento Graphene Plus. O tecido inovador é composto por três camadas de alto desempenho técnico: uma camada interior ultraleve que garante respirabilidade e frescor, uma camada intermediária bidimensional de grafeno que oferece termorregulação para cada condição térmica e uma camada externa de náilon e elestano, que atua como suporte muscular e assegura a postura correta do corpo durante o treino.

Fábrica do futuro – Um dos projetos pioneiros para a produção de grafeno no mercado brasileiro está sediado em Minas Gerais. A iniciativa, que começou em junho de 2016, prevê investimentos da Companhia de Desenvolvimento Econômico de Minas Gerais (Codemig) da ordem de R$ 21,3 milhões, em três anos, para desenvolver a tecnologia e implantar uma fábrica piloto no Brasil. Denominado MG Grafeno, o projeto é realizado em parceria com o Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear/Comissão Nacional de Energia Nuclear (CDTN/CNEN), por meio do Laboratório de Química de Nanoestruturas de Carbono (LQN), e com a Universidade Federal de Minas Gerais, por intermédio do Departamento de Física.

Segundo a Codemig, a futura planta, com capacidade instalada para até 30 kg de grafeno por ano, deverá ser construída na Região Metropolitana de Belo Horizonte. “Serão produzidas soluções que possam atender ao mercado, considerando que o grafeno será um ativo tecnológico customizado, conforme as necessidades da aplicação, não se limitando a um nicho específico. O projeto também prevê a demonstração e a adequação do material produzido a aplicações como baterias, compósitos poliméricos, filmes finos condutores, sensores/dispositivos, dentre outras, permitindo a atração de parceiros industriais”, informa a assessoria da estatal mineira.
Buscando novos potenciais parceiros para o empreendimento, a Codemig submeteu um Plano de Negócios contemplado no edital “Inova Mineral”, do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) e da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), para apoiar projetos de pesquisa, desenvolvimento e inovação na área de mineração e transformação mineral. Além da Codemig, do CDTN e da UFMG, o plano conta a participação de seis empresas e duas instituições de ciência, tecnologia e inovação (ICTI). “A Codemig está trabalhando para que o grafeno não seja uma commodity, mas uma solução tecnológica no desenvolvimento de novas aplicações e novos negócios em Minas Gerais e no Brasil”, acrescenta a nota da estatal.

O pesquisador Daniel Cunha Elias, que integra uma equipe de 30 especialistas em nanocarbono dentro da UFMG, diz que há muito interesse do setor privado no desenvolvimento de produtos com grafeno no Brasil, porém as informações são protegidas por segredo industrial. “O grafeno pode agregar mudança de cor nas roupas, trazer resistência ao algodão, transportar sensores minúsculos capazes de monitorar sinais vitais, fortalecer e ao mesmo tempo tornar mais leves estruturas mecânicas, enfim, um mundo de possibilidades. É um material extremamente maleável e inerte, características que indústrias de vários segmentos querem explorar”, explica.

Atualmente, a UFMG conta com um Centro de Tecnologia em Nanotubos de Carbono, cujo foco é o desenvolvimento de estudos para a incorporação de nanotubos de carbono e grafeno em materiais tradicionais.

São Paulo avança – A capital paulista também entrou na corrida pelo desenvolvimento do grafeno. Inaugurado em março de 2016 no campus da Universidade Presbiteriana Makenzie, o primeiro Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno da América Latina tem como objetivo investigar as propriedades do material em aplicações práticas. A instituição de ensino investiu R$ 20 milhões na construção do prédio e na contratação de cientistas. Localizado no bairro de Higienópolis, o MackGraphe, como é denominado, tem área superior a 4 mil m² com laboratórios onde trabalham 15 pesquisadores envolvidos nos projetos de pesquisa de grafeno e materiais bidimensionais.

A professora-doutora em Química, Cecília de Carvalho Castro e Silva, que integra a equipe formada por cinco químicos, seis físicos, dois engenheiros eletrônicos, um engenheiro de materiais e um engenheiro de polímeros, informa que o interesse de sua pesquisa é empregar materiais bidimensionais no desenvolvimento de dispositivos flexíveis e portáteis de alto desempenho para a geração, conversão e armazenamento de energia. “O grafeno é um nanomaterial que possui propriedades muito particulares, sendo sete vezes mais leve que o ar e com elevada área de superfície. Os elétrons passam através dele 200 vezes mais rápido do que no silício, material que hoje usamos nos chips eletrônicos, por isso, o setor de eletrônica é um dos mais interessados no desenvolvimento do grafeno”.

Cecília explica que o Centro MackGraph se dedica a três áreas de pesquisa: Compósitos poliméricos com adição de grafeno para aumento de resistência mecânica, estabilidade e leveza de materiais para a indústria em geral; Energia para criação de novos dispositivos como baterias e supercapacitores com maior ciclo de vida e velocidade de carga; e Fotônica, com emprego do grafeno em fibra ótica para aplicação em telecomunicações. “No MackGrahp temos realizado experimentos, mas ainda não foi criado nenhum produto em escala no Brasil. Em âmbito mundial, porém, já há empresas avançando nesta direção. Hoje, no mercado existem óculos, pneus de bicicleta, raquetes de tênis e roupas com grafeno na sua omposição”, afirma a cientista.

Grafeno no algodão – As características do grafeno chamaram atenção também dos produtores agrícolas, afinal, o agronegócio brasileiro, mesmo em tempo de crise, foi o único setor que, segundo o IBGE, apresentou forte crescimento no primeiro trimestre de 2017, com alta de 13,4%, enquanto a indústria cresceu apenas 0.9% e o setor de serviço ficou estável (0%).

Em março, o presidente da Associação Brasileira dos Produtores de Algodão (Abrapa), Arlindo de Azevedo Moura, e o diretor executivo da entidade, Marcio Portocarrero, visitaram as instalações do Centro MackGraphe, em São Paulo. Em junho, foi a vez dos cientistas irem à Fazenda Pamplona, em Goiás, para ver de perto o modo de produção do algodão. A Abrapa pretende apresentar estudos da universidade no 11º Congresso Brasileiro do Algodão (CBA), que será realizado entre os dias 29 de agosto e 1º de setembro, em Maceió-AL. Será uma oportunidade de despertar no setor algodoeiro o interesse pela inovação tecnológica.

“A partir da divulgação da Abit – Associação Brasileira da Indústria Têxtil sobre nossas pesquisas com grafeno, os diretores da Abrapa vieram conhecer o trabalho no laboratório e quiseram saber que propriedades o grafeno poderia agregar ao algodão”, comenta a pesquisadora Camila Marchetti Maroneze, doutora em Química pela Unicamp e pós-doutorada pelo Swiss Federal Institute os Technology de Zurich, que acompanhou a visita.

Segundo ela, o grande desafio é introduzir o grafeno nesse material. “É preciso desenvolver o processo de inserção em fibra celulósica natural, viável por extrusão. No Brasil, ainda não foi patenteada essa pesquisa. O grafeno permite que se produzam roupas inteligentes, seja para proporcionar conforto térmico ou segurança. Ele pode também reforçar os tratamentos antichama, isolamento térmico e resistência à abrasão. Nossa especialidade é compreender as sínteses do grafeno em colaboração com os setores que conhecem as suas matérias-primas, para auxiliá-los no desenvolvimento de novos produtos”, completa a pesquisadora.

Na Inglaterra, a interação do grafeno com algodão já foi realizada com êxito. Em parceria com a Universidade de Jiangnan (China), os pesquisadores do Graphene Center da Universidade de Cambridge (CGC) desenvolveram um tecido de algodão condutivo que abre novas possibilidades para eletrônicos vestíveis. De acordo com artigo publicado no site da universidade britânica, com base no trabalho do cientista do CGC, Dr. Felice Torrisi, sobre a formulação de tintas de grafeno para eletrônicos flexíveis, o grupo de pesquisadores criou tintas de flocos de grafeno quimicamente modificados que aderem facilmente às fibras de algodão. “O tratamento térmico após o depósito da tinta no tecido melhora a condutividade do grafeno modificado. A adesão deste grafeno modificado à fibra é semelhante à forma como os corantes reagem com o algodão, permitindo que o tecido permaneça condutivo, mesmo após várias lavagens”. Este novo método, segundo os cientistas, possibilita instalar sistemas eletrônicos flexíveis em peças de vestuário, de forma mais segura e sustentável, já que dispensa etapas de processamento e o uso de produtos tóxicos. “Embora inúmeros pesquisadores em todo o mundo tenham desenvolvido sensores portáteis, a maioria das tecnologias atuais utilizáveis dependem de componentes eletrônicos rígidos montados em materiais flexíveis, como filmes plásticos, que oferecem compatibilidade limitada com a pele, são desconfortáveis e podem ser danificados quando lavados”, acrescenta o artigo, que conclui com a afirmação do professor Chaoxia Wang da Universidade de Jiangnan, co-autor do projeto: “Esse método nos permitirá colocar sistemas eletrônicos diretamente na roupa. É uma tecnologia habilitadora incrível para têxteis inteligentes.”

O diretor executivo da Abrapa, Marcio Portocarrero, está convencido de que o grafeno comandará a revolução dos materiais na indústria do século XXI, mas avalia que a integração de grafeno na fibra do algodão é uma etapa que será analisada mais adiante pela entidade. “Já existem experimentos com filamentos de grafeno misturados a fios de algodão que conferem resistência e condução térmica. Mas posso assegurar que no momento seria inviável pensar em algodão geneticamente modificado para introdução de grafeno. Por enquanto, isso não está em prática. Lá fora, os tecidos que contém grafeno na composição são construídos em bases sintéticas ou mistas, já que o grafeno pode ser transformado em fibra mineral. A opção mais viável é no campo das roupas inteligentes com nanotubos inseridos nas fibras têxteis para proporcionar funcionalidades”, explica Portocarrero.

O executivo da Abrafas diz que, no Brasil, o avanço da nanotecnologia é fundamental para o desenvolvimento de novos materiais. “Pelo que pudemos observar, o MackGraph já produz lâminas de grafeno para aplicação industrial e filamentos usando nanotubos de carbono como fontes para fibra ótica. Mas o fato de o grafeno ser um material inerte, que pode ser molhado sem perder suas propriedades, abre um vasto campo de oportunidades para as roupas do futuro, que irão interagir com o usuário. Serão roupas 40% mais leves que as de algodão convencional e capazes de se degradar na natureza”.

Aplicação agrícola – Se no Brasil a infusão do grafeno no algodão para conferir atributos funcionais ainda está no terreno da pesquisa, desenvolver um revestimento à base de grafeno para dar mais resistência para máquinas agrícolas parece mais próximo do horizonte do campo. Durante a visita dos pesquisadores do MackGraph à fazenda de Goiás, o diretor executivo da Abrapa disse que o projeto na cotonicultura também abrange a incorporação do grafeno nas máquinas e implementos agrícolas. “Na China está se pesquisando roupa inteligente, na Coreia do Sul há projetos com grafeno para aplicação em próteses, nos EUA o foco é na indústria aeroespacial e no Brasil estamos avaliando sua aplicação na agricultura. Além da plantação, os pesquisadores conheceram os equipamentos usados na plantação e colheita, não só de algodão, mas também de soja e milho. Se o grafeno é 200 vezes mais resistente que o aço, queremos saber como ele pode solucionar alguns problemas mecânicos”, diz o diretor.

Marcio Portocarrero explica que a quebra dos equipamentos causa muitos prejuízos aos agricultores. “Uma colheitadeira, por exemplo, custa cerca de R$ 2 milhões. Se ela para no meio da produção, não há como pagar o investimento. As peças das máquinas sofrem muitos desgastes e, para trocá-las, às vezes se leva até 10 dias para receber uma sobressalente, prejudicando a atividade na lavoura”, argumenta.

Segundo ele, o desgaste natural e a corrosão das peças provocada pelo ambiente agressivo são os principais defeitos dos equipamentos. “No encontro que tivemos na beneficiadora de algodão da fazenda, mostramos os problemas e solicitamos que os cientistas nos enviassem uma avaliação sobre a aplicabilidade do grafeno para tornar as máquinas mais resistentes. Posteriormente, vamos convidar os fabricantes para discutir a possibilidade de investir numa solução tecnológica com o grafeno. Se eles concordarem, esses projetos deverão ser encaminhados, dentro de um ano, para buscar fomento junto às instituições públicas ou privadas”. Segundo o diretor da Abrapa, a inovação contribuirá também para tornar os equipamentos mais leves, reduzindo o consumo de combustível dos motores a diesel.

E quanto vai custar isso? “Ainda não temos um custo para transformar um protótipo em realidade comercial, mas estou certo de que se fizermos a troca dos componentes, haverá um grande diferencial na tecnologia usada hoje no campo”, comentou Portocarrero.

Desafio presente – A popularidade do grafeno no mundo científico chamou a atenção dos produtores dos principais países do mundo. Na China, nada menos do que 2.200 patentes de produtos com grafeno já foram registradas. Os Estados Unidos já contam com 1.754 e a Coreia do Sul com 1.160. No Brasil, a corrida pelo grafeno começou nos laboratórios das universidades há 10 anos. Pesquisadores brasileiros buscam apoio da indústria para desenvolver uma nova cadeia produtiva de valor, ancorada no grafeno e voltada à alta tecnologia. O desafio é hercúleo já que, ao contrário dos países desenvolvidos, onde a parceria entre universidade e empresa está consolidada, aqui os obstáculos ainda são muito grandes, principalmente no que refere a financiamentos para realização de projetos, quase sempre dependentes de aportes governamentais.

Considerando que o Brasil não vive seu melhor momento político e econômico, alguns planos ousados de se produzir no país maravilhas como tecidos inteligentes, celulares flexíveis ou baterias que duram cinco vezes mais, poderão ser adiados, ad aeternum.