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Grafeno

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  • 1. Adailton Medeiros Samuel SenaVanira Schmitt Martinhago GRAFENO Salvador – 2012
  • 2. Adailton Medeiros Samuel SenaVanira Schmitt Martinhago GRAFENO Trabalho apresentado como avaliação parcial da disciplina Princípios da Ciência e Tecnologia dos Materiais no Centro Universitário Estácio da Bahia, sob orientação do Prof. Gilson Amorim. Salvador – 2012
  • 3. SUMÁRIOOBJETIVO ---------------------------------------------------------------------------------------- 1JUSTIFICATIVA --------------------------------------------------------------------------------- 2O QUE É GRAFENO ---------------------------------------------------------------------------- 3MÉTODO DE PRODUÇÃO -------------------------------------------------------------------- 4PASSOS PARA OBTENÇÃO ------------------------------------------------------------------ 5PROPRIEDADES E APLICAÇÕES --------------------------------------------------------- 6CONCLUSÃO ------------------------------------------------------------------------------------ 8REFERÊNCIAS ---------------------------------------------------------------------------------- 9
  • 4. OBJETIVO O presente trabalho tem por objetivo apresentar o grafeno, o material mais fortee impermeável do mundo obtido no ano de 2004 e que substituirá o silício por possuirpropriedades elétricas superiores. O grafeno promete aplicações futuras emnanotecnologia que não eram concebíveis antes da sua descoberta. Além disso, éflexível e 200 vezes mais resistente que o aço, com alta condutividade térmica eelétrica.
  • 5. 1 JUSTIFICATIVA O silício é, atualmente, muito utilizado na indústria eletrônica, como materialbásico para a produção de chips, células solares e diversas variedades de circuitoseletrônicos, por possuir boa condutividade elétrica. Com o constante avanço datecnologia, houve um aumento da exploração das propriedades do silício, chegando aum ponto em que se torna mais difícil manipulá-lo para atender às necessidades e àcrescente demanda de tecnologia no século XXI. Em 2004 os pesquisadores Andre Geim e Konstantin Novoselov, descobriram aobtenção do grafeno como substituto do silício. A partir daí abre-se uma novapossibilidade para aperfeiçoar as tecnologias contemporâneas, visto que o novo materialconduz elétrons 60 vezes mais rápido que o silício. Além das propriedades elétricas, asmecânicas chamam bastante atenção: É o material mais impermeável do mundo,podendo conter até o gás hélio, que possui um átomo muito leve e pequeno. É, também,o material mais forte já descoberto que, dentro de suas proporções, pode superar odiamante. Já existem pesquisas para utilizar nanotubos de carbono (camadas de grafenodispostas em pequenos tubos) como estruturas na construção civil. A escolha do tema se dá pela versatilidade do grafeno, este material recém-descoberto e que promete abrir as portas para uma revolução tecnológica no mundo.
  • 6. 2 O QUE É O GRAFENO O grafeno é um cristal formado por vários átomos de carbono em uma malhahexagonal, dispostos numa única camada, o que o torna desprovido de espessura. Por ser umcondutor flexível, transparente e mecanicamente resistente, o grafeno poderá no futuro, serutilizado em telas ultrafinas, flexíveis e sensíveis ao toque para tevê, computadores, celulares elivros digitais. Transitores de grafeno seriam mais rápidos que os de silício e chips com maiorcapacidade de processamento poderiam ser fabricados. O grafeno é considerado o elementoestrutural básico de alguns alótropos de carbono, incluindo os fulerenos, os nanotubosde carbono e o grafite. Fulereno Nanotubo Grafite O nome “grafeno” surgiu da junção dos termos “grafite” e “alqueno”, uma vezque o grafite consiste em várias folhas de grafeno empacotadas (HAMILTON &BARRON, 2010). Descrições como “camada de grafite”, “camada de carbono” ou“folha de carbono” têm sido ainda utilizadas para descrever o termo grafeno, porém seconsidera correto utilizar este termo apenas quando reações, relações estruturais ououtras propriedades de camadas individuais são discutidas e/ou estudadas.
  • 7. 3 MÉTODO DE PRODUÇÃO DO GRAFENO Uma das técnicas para a produção do grafeno é através da esfoliação do grafite.Esta pode produzir materiais livres de defeitos com propriedades excepcionais, porémnão é possível produzir quantidades significativamente grandes para viabilizar suautilização como reforço em nanocompósitos. Portando, o desenvolvimento de métodoseficientes que consigam promover sua produção em larga escala para sua plenautilização em aplicações industriais se tornou necessário. Atualmente, o método maisutilizado para a produção de grafeno em quantidades maiores se dá através da reduçãodo óxido de grafite. O grafite possui uma estrutura lamelar, na qual folhas de grafeno estãoempacotadas e unidas por forças de van der Waals (ALLEN et al, 2010). Vencer estasforças para isolar essas folhas é o maior obstáculo na produção do grafeno poresfoliação mecânica (HAMILTON & BARRON, 2010). Entretanto, em 2004,pesquisadores desenvolveram um método para isolar essas folhas de grafeno a partir dografite, o chamado método da fita adesiva. Este método consiste em remover camadas de um floco de grafite utilizandouma fita adesiva como agente de esfoliação mecânica, após várias repetições demovimentos de “cola e descola” com a fita. Esta fita adesiva é então pressionada contraum suporte de dióxido de silício (SiO 2), a fim de que estas camadas sejam transferidaspara este suporte (NOVOSELOV et al, 2004). Embora os fragmentos presentes na fitapossam ter mais do que uma camada de espessura, as forças de van der Waals, quetambém atuam entre o fragmento e o suporte, podem promover o isolamento de apenasuma única camada quando a fita é removida (NOVOSELOV et al, 2004; ALLEN et al,2010
  • 8. 4 PASSOS PARA OBTENÇÃO DA AMOSTRA1 – Estender uma tira de fita adesiva sobre uma mesa devidamente limpa2 - Com o auxílio de uma pinça esterilizada, colocar um pedaço de grafite de boaqualidade sobre a fita3 – Dobrar a fita adesiva sobre o grafite4 – Desdobrar a fita lentamente para que camadas de grafeno possam ser liberadas.5 – Repetir o passo “4” até que se forme uma camada fina.
  • 9. 5 PROPRIEDADES E APLICAÇÕES A partir desta descoberta foi possível estudar as propriedades do grafeno que serevelou um material extraordinário: • Os átomos e carbono formam uma rede hexagonal, quase sem defeitos; no laboratório de Geim já se produziram flocos de grafeno com dimensões de 0,1mm. • Os electrões propagam-se no grafeno, sem serem desviados por colisões, em distâncias enormes, muito maiores que na maioria dos semicondutores; isso permitirá transistores muito mais rápidos; • Devido à estrutura hexagonal do grafeno, os electrões, portam-se como se não tivessem massa, isto é, como neutrinos. Neutrinos são partículas que se deslocam sempre à velocidade da luz, como os fotões, mas que têm spin semi- inteiro como os electrões. Há uma variedade de fenômenos relativistas que podem ser estudados experimentalmente no grafeno. • Uma das conseqüências da natureza relativista do electrões no grafeno é a absorção de 2% da luz incidente normalmente a uma folha de grafeno; isso torna uma folha de espessura de um átomo visível a olho nu! Com todas essas impressionantes propriedades, é possível imaginar uma grandegama de aplicações para o grafeno, podendo variar desde transistores até reforço demateriais compósitos. Vamos citar algumas destas aplicações: Atualmente, as aplicações mais promissoras para o grafeno estão na sua utilizaçãoem dispositivos eletrônicos, tornando o grafeno o possível sucessor do silício nafabricação de eletrônicos. Entretanto, as incríveis propriedades mecânicas e de barreiratornam o grafeno muito promissor como reforço na fabricação de nanocompósitos,podendo melhorar as propriedade de polímeros termoplásticos e termorrígidos. Não é de hoje que o grafeno tem se mostrado uma espécie de “super material”,podendo ser aplicado nas mais diversas e loucas tecnologias – como em roupaseletrônicas, semicondutores de altíssimo desempenho, destilação de vodka e até nodesenvolvimento da invisibilidade. A mais nova capacidade desse elemento étransformar água salgada em potável. Esse processo, criado por pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology(MIT), consiste na transição da água salgada através de um filtro de grafenoextremamente fino, no qual somente as moléculas de água conseguem passar. Assim, osal fica retido nesse filtro. A nova técnica apresenta resultados de pureza duas a trêsvezes melhores do que os métodos adotados atualmente.
  • 10. 6 Nova geração de baterias com grafeno pode durar até dez vezes mais,Pesquisadores da Universidade Northwestern, situada nos Estados Unidos, afirmam tercriado um novo tipo de bateria de íons de lítio, a qual é capaz de durar até dez vezesmais que os modelos atuais, presentes em celulares e notebooks. De acordo com osdados da pesquisa, o aumento de dez vezes é válido também para a velocidade derecarga do componente. Harold Kung, professor encarregado pelo projeto, explica quea diferença das novas baterias está no uso do grafeno - um componente que também estásendo estudado para uso em processadores, devido às altas velocidades que ele suporta. O grafeno é disposto em inúmeras camadas dentro do componente, cada uma delastendo apenas um átomo de espessura. Os íons de lítio são colocados entre o grafeno,com o diferencial de que agora têm acesso a atalhos dentro da estrutura, o que agilizatodo o processo de recarga. Grafeno pode deixar sua calça sempre limpa. Pesquisadores da Universidade deVanderbilt, nos Estados Unidos, desenvolveram novas maneiras de se aplicar o grafeno,que pode funcionar como um forte repelente ou forte absorvente de líquidos. Camadas transparentes do material podem ser aplicadas em tecidos. O contato como líquido pode, então, formar uma fina camada, espalhando o que foi derrubado, masnão permitindo que ele acesse o tecido. Por outro lado, também é capaz de repelir completamente o líquido. Sua utilizaçãopode ser em roupas, pára-brisas de carros e em óculos, para que nunca fiquem sujos. Moduladores de grafeno permitem conexões com velocidade que ultrapassaos 100 terabits. Cientistas da Universidade de Berkeley, na Califórnia, desenvolveramum novo processo que usa o grafeno como forma de acelerar a velocidade alcançada porconexões de internet. A equipe, liderada pelo professor de engenharia Xiang Zhang,construiu um modulador capaz de elevar a velocidade da transmissão de dados em taxasque chegam a 100 terabits. A novidade é constituída por um pequeno dispositivo óticorevestido por uma camada de grafeno, que serve como forma de desligar e ligar umasérie de luzes. Esse princípio atua como base de funcionamento para moduladores derede, responsáveis por controlar o envio de pacotes de dados – quanto maior avelocidade do processo, maior o número de informações transmitidas. O material também consegue trabalhar em frequências de até 500 GHz (númerosurpreendente comparado ao 1 GHz dos moduladores convencionais), e o tamanhodiminuto permite o uso de cabos muito mais finos que os atuais. Segundo Xiang Zhang,a nova tecnologia deve permitir que, em breve, a transferência de vídeos 3D em altadefinição para a tela de smartphones se torne mera questão de segundos.
  • 11. 7 CONCLUSÃO O grafeno é uma nanoestrutura de carbono, com a espessura de um átomo. Umnovo e prodigioso material, com propriedades extraordinárias. Possui característicaseléctricas, ópticas, mecânicas e térmicas sem igual. Além disso, é transparente, sendonecessário ser colocado sobre uma fina placa de óxido de silício para ser visível, é asubstância mais resistente que se conhece, sendo mais forte que o aço. Em conclusão ografeno abriu novas avenidas ao nosso conhecimento de ciência fundamental e prometeaplicações futuras em nanotecnologia que não eram concebíveis antes da suadescoberta.
  • 12. 8 REFERÊNCIAShttp://info.abril.com.br/noticias/ciencia/entenda-o-grafeno-o-substituto-do-silicio-02082011-33.shlhttp://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=cientistas-domam-eletrons-grafeno-molecular&id=010165120320http://arsphysica.wordpress.com/2011/03/17/grafeno-alem-da-nanoeletronica/http://pt.wikipedia.org/wiki/Sil%C3%ADciohttp://www.tecmundo.com.br/grafeno/
  • 13. 9

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