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Grafeno: Propriedades e aplicações

O tópico deste post é o grafeno. Uma das formas alotrópicas do carbono e promete causar uma revolução tecnológica devido às suas propriedades. 

O grafeno vem da grafita ou grafite. Este minério já foi assunto de um post.

Post sobre grafitaClique aqui

Estrutura e propriedades

O grafeno é uma camada de grafite formada por átomos de carbono que formam hexágonos.

grafeno

Este material é transparente, elástico, flexível, condutor de eletricidade, bidimensional e com um átomo de espessura.

lâmina de grafeno
Esta é a aparência do grafeno, tem 97% de transparência.

Por quê o grafeno é um ótimo condutor? O átomo de carbono tem 6 elétrons: 2 na camada interna K do orbital 1s e 4 na camada externa de valência L. No estado normal, o orbital 2s está completo com dois elétrons e pode compartilhar apenas os outros dois. Porém, no estado excitado, um elétron vai para o orbital 2p de maior energia e tem 4 elétrons de valência.

GIF

No grafeno, cada átomo de carbono compartilha 1 elétron de valência com cada um dos três vizinhos, fazendo ligações sigma (\sigma). 1 do orbital s e 2 do orbital p são compartilhados, criando a hibridização sp2.

O quarto elétron do orbital p puro ou π fica acima ou abaixo do plano dos átomos de carbonos. Este é o elétron disponível para condução de eletricidade. O grafeno não tem a banda proibida (energy gap) que separa as bandas de energia de valência (valence band) e condução (conduction band).

Condutividade do grafeno

Outras propriedades físico-químicas:

  • Resistência à fratura de 130 GPa (Gigapascals), 100 vezes maior que a do aço, devido às fortes ligações sp2.
  • O Módulo de Young ou de elasticidade é 1 TPa ou 1000 GPa, indica resistência à deformação elástica.
  • Condutividade térmica: Algumas fontes afirmam 3000 W/mK e outras 5000 W/mK.
  • Relação área/massa de 2600 m^2/g.
  • Capacidade de corrente: 1\cdot 10^8 A/cm^2.
  • Mobilidade de carga elétrica: 200.000 cm^2/(V\cdot s).

Alguns exemplos de aplicações

  • Telas transparentes e flexíveis: A flexibilidade e a condutividade do grafeno permitem a criação de telas flexíveis para smartphones, computadores e tablets.

Tela flexível

Estas telas poderão ser colocadas em janelas, vidros de automóveis e lentes de contato para mostrar conteúdo e informações.

lente de grafeno

  • Filtro: A fina espessura do grafeno permite a passagem de água, mas bloqueia muitas moléculas, inclusive cloreto de sódio (NaCl). Um filtro baseado em grafeno pode purificar a água e ser usado em usinas de dessalinização.

Filtro de grafeno

  • Armazenamento de energia: Condutividade, espessura, mobilidade de carga elétrica e elevada área por massa possibilitam a criação de baterias e supercapacitores mais eficientes, leves e de maior capacidade. Algumas empresas já lançaram baterias com grafeno.

bateria com grafeno

  • Painéis fotovoltaicos: Flexibilidade, transparência e mobilidade de carga elétrica muito maior que a do silício, permitem a produção de painéis solares flexíveis com eletrodos e/ou substrato transparentes.

Flexible solar panel

  • Semicondutores: A maior condutividade pode aumentar a velocidade de transistores e processadores.

Transistor com grafeno

  • Pintura: Uma tinta com grafeno pode proteger uma estrutura de stress mecânico, corrosão, calor e umidade.

 

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