Tecnologia a laser abre caminho para o grafeno verde. Sensor UV desenvolvido por nanocristais de celulose de abacaxi grafitados a laser.
Um estudo de pesquisadores brasileiros e portugueses apresenta os desafios e as potencialidades do grafeno induzido por laser verde (gLIG). A gLIG pode ser extraída de várias fontes naturais de carbono, como folhas, restos de madeira, cortiça e carvão.
Descobertas abrem caminho para a geração de eletrônicos ecológicos e de baixo custo.
A tecnologia permitirá o desenvolvimento de materiais eletrônicos vestíveis e até comestíveis.
A Advance promoverá a mitigação de um dos maiores desafios atuais da sustentabilidade ambiental: o lixo eletrônico.
Tecnologia a laser abre caminho para o grafeno verde. Por ser leve, flexível, quase transparente, excelente condutor de calor e eletricidade e cerca de 200 vezes mais resistente que o aço, o grafeno é considerado um material que pode 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 feito por meio da tecnologia de grafeno induzido por laser verde (gLIG), que foi o foco de um estudo publicado na revista Applied Physics Reviews , de autoria de cientistas brasileiros e portugueses.
Esta tecnologia abre caminho para a fabricação de dispositivos simples, sustentáveis e de baixo custo, baseados em fontes de carbono abundantes e renováveis como madeira, folhas, cortiça, casca e celulose. Assim, contribuirá para a redução do lixo eletrônico, também conhecido como lixo computacional ou lixo eletrônico ( ver tabela abaixo ). Esses termos são usados para designar dispositivos que são alimentados por eletricidade ou baterias.
O grafeno induzido por laser (LIG) abre a possibilidade de produção simples, econômica e escalável de componentes tecnológicos”, relata o engenheiro de materiais Pedro Ivo Cunha Claro, um dos autores do artigo escrito durante sua pós-graduação na Universidade de São Carlos ( UFSCar) e a Universidade NOVA de Lisboa (UNL). O pesquisador lembra que nos últimos anos tem havido pesquisas cada vez mais extensas sobre o grafeno induzido por laser verde (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”, afirma Claro, que atualmente é analista de Desenvolvimento Tecnológico do Centro Nacional de Pesquisas 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, a gLIG foi proposta para formular corantes ou para ser incorporada em matrizes poliméricas, a fim de expandir ainda mais seu uso para substratos não baseados em carbono ou aplicações onde a Lig original não pode ser usada diretamente.
“Suas propriedades mecânicas e físico-químicas, como alta capacidade de resistência mecânica e condutividade elétrica, o tornam um material com enorme potencial de aplicabilidade tecnológica em diversas áreas”, afirma o engenheiro.
Menos lixo eletrônico
O gLIG pode desencadear uma revolução na forma como os circuitos integrados e componentes eletrônicos são produzidos. Com isso, a tecnologia poderá reduzir o lixo eletrônico, que prejudica tanto o meio ambiente quanto a saúde humana por conter aditivos tóxicos ou substâncias perigosas como o mercúrio. O próprio processo de obtenção do gLIG é mais limpo, pois não utiliza reagentes tóxicos ou métodos tradicionais.
Em 2019, o lixo eletrônico atingiu um recorde de 53,6 milhões de toneladas métricas globalmente, um aumento de 21% em cinco anos, de acordo com a terceira edição do Global E-waste Monitor 2020 das Nações Unidas . O Brasil lidera a geração de lixo eletrônico entre as nações de língua portuguesa com 2.141 toneladas (leia aqui ).
Além de Pedro Claro, o paper é da autoria dos pesquisadores da Embrapa Instrumentação , Luiz Henrique Capparelli Mattoso e José Manoel Marconcini , e da professora Elvira Maria Fortunato, da Universidade Nova de Lisboa (UNL), atual ministra da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior de Portugal ( ver a lista completa de autores no final desta reportagem ).
Mattoso, que assessorou a Claro no Laboratório Nacional de Nanotecnologia para o Agronegócio (LNNA) da Embrapa, em São Carlos, SP, diz que as recentes descobertas abrem caminho para a elaboração de eletrônicos verdes escaláveis e de baixo custo. “É possível aplicar gLIG em diferentes substratos, visando o desenvolvimento de materiais eletrônicos comestíveis e vestíveis. A gLIG pode ser extraída de restos de madeira, folhas, cortiça e carvão, e 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 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 dos cidadãos e conforto”, relata o coordenador do Centro de Pesquisa de Materiais da UNL (Cenimat), Rodrigo Martins, que também participou do estudo.
Cortiça, madeira e até folhas podem ser matéria-prima
Mattoso, responsável pela introdução da nanotecnologia e dos estudos com novos materiais na agricultura brasileira, explica que a cortiça (casca do sobreiro) é um substrato que tem despertado muito interesse e é considerada uma fonte promissora de gLIG, pela possibilidade de sendo um material híbrido que permite flexibilidade e leveza.
Tecnologia a laser abre caminho para o grafeno verde. A Claro diz que tais substratos podem ser convertidos diretamente em gLIG, principalmente pelo alto teor de lignina presente em sua composição. O cientista esclarece que o maior teor de lignina é mais propício para a produção de gLIG de maior qualidade, dada a possibilidade de selecionar o precursor bruto mais adequado para cada aplicação de destino e de adaptar as funções químicas e condutivas dos padrões de gLIG resultantes.
“Do ponto de vista ambiental e econômico, tais meios podem ser um dos materiais mais versáteis da natureza, com características intrínsecas extraordinárias como biodegradabilidade, impermeabilidade, leveza e resistência a diferentes condições térmicas, proporcionando novas funcionalidades além de seu uso já consolidado na fabricação de rolhas de vinho”, detalha Claro.
Já a madeira tem potencial para produzir gLIG devido à sua superfície uniforme e lisa, o que permite uma fácil padronização de diferentes arquiteturas de eletrodos. No entanto, sua aplicabilidade é limitada devido à rigidez e decomposição da estrutura lignocelulósica após o escaneamento a laser. No entanto, mostra grande promessa para dispositivos eletrônicos que não possuem grandes requisitos mecânicos.
Outra fonte natural de matéria-prima apontada pelo pesquisador é o carvão, rocha sedimentar orgânica rica em carbono e produzida pela compactação e endurecimento de restos vegetais alterados.
Folhas de plantas podem, por sua vez, ser aplicadas a dispositivos vestíveis, mas sua processabilidade é limitada por seu tamanho e resistência mecânica, bem como devido à 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 provenientes de uma variedade de materiais, desde polímeros termoplásticos a materiais têxteis e alimentos, como cascas de batata, pão e casca de coco. A versatilidade e o potencial de tais materiais já foram demonstrados em diversas aplicações.
Grafeno e gLIG
O material mais fino do mundo, o grafeno é produzido a partir do grafite; é um cristal bidimensional formado por ligações entre átomos de carbono, dispostos em estruturas hexagonais semelhantes a um favo de mel.
Já o gLIG 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 micrométricas.
Tecnologia a laser abre caminho para o grafeno verde. 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, atóxico, controlável e sem contato, que permite o processamento rápido, direto e eficiente de estruturas complexas. Essa técnica se assemelha a um tipo de ataque químico baseado 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) similares têm sido intensamente estudados e despertam muito interesse devido às suas propriedades físico-químicas promissoras, pois alguns produtos já estão disponíveis comercialmente e têm mostrado desempenhos promissores em comparação com outras fontes verdes.
A União Europeia criou um consórcio, o Graphene Flagship, composto por 150 parceiros com um orçamento total de 1 bilhão de euros. O projeto abrange vários campos, desde a pesquisa básica até o comércio de grafeno a longo prazo.
Esforços semelhantes, visando 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 o momento, o grafeno tem sido usado com sucesso em armazenamento de energia, aplicações ambientais e biomédicas, entre outros.
Para Mattoso, embora haja muitos desafios a serem superados, há oportunidades para que diferentes métodos de processamento, materiais e produtos entrem no mercado, pois o grafeno é um material versátil e pode ser combinado com outros elementos para produzir diferentes materiais com propriedades superiores. Além de todas essas vantagens, a gLIG também pode contribuir para os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU.
Autores
Os autores do artigo 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).
Tecnologia a laser abre caminho para o grafeno verde. O estudo foi parcialmente financiado pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) e pelo Sistema Nacional de Laboratórios de Nanotecnologia (SisNano). O Projeto contou com o apoio financeiro do Conselho Europeu de Investigação (ERC) e da Fundação Nacional para a Ciência e Tecnologia (FCT).
Por: Joana Silva (MTb 19.554/SP) – Embrapa Instrumentação
Fonte: Embrapa Ocidental
Foto: Pixabay
