O grafeno, essa revolução programada da eletrônica, está para breve? 🕒

Thibaut Lalire - Doutorando em ciência dos materiais, IMT Mines Alès – Institut Mines-Télécom

"Material do século XXI", "material revolucionário", é assim que o grafeno tem sido caracterizado desde sua descoberta em 2004 por Konstantin Novoselov e Andre Geim. Os trabalhos sobre o grafeno destes dois cientistas lhes renderam o Prêmio Nobel de Física em 2010, mas qual é a situação atual, 17 anos após esta descoberta?


O grafeno é mundialmente conhecido por suas propriedades notáveis, sejam elas mecânicas, térmicas ou elétricas. Sua estrutura perfeita em formato de colmeia composta por átomos de carbono é a razão pela qual o grafeno é um material eficiente em diversos campos. Sua morfologia, em forma de folha espessa na ordem de um átomo, permite que ele faça parte da família dos materiais 2D.

Desde sua descoberta, a indústria intensificou as pesquisas em torno do material. Aplicações variadas foram desenvolvidas, especialmente explorando o desempenho elétrico do grafeno. Diversos setores estão sendo visados, como o aeronáutico, automotivo e de telecomunicações.

Há grafeno no avião?

O grafeno é explorado tanto por seu status de campeão em condutividade elétrica, quanto por sua baixa densidade e flexibilidade. Essas propriedades o permitiram entrar no seleto clube dos materiais utilizados no setor aeronáutico.

Relâmpagos e o acúmulo de gelo na fuselagem são problemas frequentemente enfrentados quando os aviões estão em alta altitude. O impacto de um raio em uma superfície não condutora pode causar graves danos, podendo até inflamar a aeronave. A adição de grafeno, devido à sua alta condutividade elétrica, permite dispersar essa corrente de alta energia. O design dos aviões é planejado de forma a direcionar a corrente para longe de áreas de risco, como tanques de combustível e cabos de comando, evitando assim a perda de controle da aeronave ou até mesmo sua explosão.


Um revestimento composto por uma resina reforçada com grafeno, chamado "nanocompósito", é usado para substituir os revestimentos metálicos. De fato, sua baixa densidade permite obter materiais mais leves do que os originais, reduzindo a massa da aeronave e, consequentemente, o consumo de combustível. Contudo, os materiais condutores elétricos, necessários para dissipar a energia dos raios, apresentam a desvantagem de refletir ondas eletromagnéticas, impossibilitando seu uso para aplicações furtivas no setor militar.

Para contornar esse problema, diferentes formas de grafeno foram desenvolvidas, mantendo sua condutividade elétrica enquanto melhoram a furtividade. A "espuma de grafeno" está entre essas novas estruturas. As ondas penetram no material, refletindo-se em todas as direções do espaço, o que as aprisiona e, gradualmente, atenua seus sinais. Assim, as ondas não retornam ao radar, tornando o avião furtivo - fenômeno conhecido como "blindagem eletromagnética".

Grafeno no armazenamento de energia

O grafeno também encontrou amplamente seu espaço no campo de armazenamento de energia elétrica.

O grafeno é um candidato ideal como eletrodo para baterias de íons de lítio e supercapacitores. Por um lado, devido à sua alta condutividade elétrica; por outro, devido à sua elevada superfície específica (área disponível no grafeno para alojar íons e favorecer a troca de elétrons entre o eletrodo de grafeno e o lítio), que permite obter uma grande "capacidade de armazenamento".

De fato, muitos íons podem se inserir facilmente entre as folhas de grafeno, facilitando a troca de mais elétrons com o coletor de corrente, aumentando a capacidade de armazenamento de eletricidade e, assim, a autonomia da bateria. A facilidade dos íons em se inserir no eletrodo de grafeno e sua condutividade elétrica elevada (permitindo transferência rápida de elétrons) possibilitam um ciclo de descarga/carregamento muito mais rápido da bateria.

A alta condutividade térmica do grafeno também permite dissipar calor, evitando o superaquecimento das baterias durante a utilização.


Na escala industrial, já existe uma bateria portátil desenvolvida pela Real Graphene, capaz de carregar completamente um telefone celular em 17 minutos. Em um campo totalmente diferente, a Mercedes está trabalhando em um protótipo de carro com uma bateria composta por eletrodos de grafeno, prometendo uma autonomia de 700 quilômetros com uma recarga de 15 minutos - valores que, atualmente, parecem surpreendentes, especialmente para veículos elétricos que requerem baterias de alta capacidade de armazenamento.

Seu lugar na eletrônica

O grafeno ainda enfrenta dificuldades para se destacar em relação aos semicondutores no campo da eletrônica. Suas propriedades eletrônicas – devidas à sua "estrutura de bandas" – tornam o controle dos elétrons impossível, fazendo com que o grafeno se comporte como um semi-metal. Assim, o uso do grafeno na eletrônica binária – digital – permanece complicado, especialmente para transistores, geralmente feitos de semicondutores.

Para utilizar o grafeno em um transistor, é necessário modificar sua estrutura de banda, o que geralmente degrada sua estrutura de colmeia e suas demais propriedades elétricas. Para preservar essa estrutura 2D, é preciso alterar a composição química dos átomos no material, utilizando, por exemplo, o nitreto de boro ou dicalcogenetos de metais de transição, que também fazem parte da grande família dos materiais 2D.


Ainda assim, busca-se usar o grafeno em aplicações onde suas propriedades mecânicas (flexibilidade) também sejam valorizadas, como em sensores, eletrodos e certos transistores para eletrônica analógica, como os transistores de efeito de campo de grafeno. Gigantes da telefonia também estão trabalhando em telas flexíveis para celulares, visando melhor ergonomia.

A fabricação de futuros computadores quânticos pode recorrer a materiais chamados "isolantes topológicos". Esses materiais são condutores elétricos em sua superfície, mas isolantes em seu interior. Atualmente, as pesquisas estão focadas na fase topológica do grafeno, com condução elétrica apenas nas bordas.

A diversidade de aplicações do grafeno demonstra todo o potencial deste material e permite vislumbrar novos horizontes em áreas como optoeletrônica e spintrônica.

Este material já provou sua utilidade no campo industrial, embora não o tenha revolucionado até o momento. No entanto, as pesquisas em andamento estão revelando, ano após ano, novos campos de aplicação. Paralelamente, métodos de síntese estão constantemente sendo desenvolvidos para reduzir o custo do grafeno por quilograma e permitir a obtenção de um material de maior qualidade.