Materiais Eletronicos

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Origem

O carbono é o elemento químico que ocupa o quarto lugar em maior abundância no mundo. Devido a sua habilidade em formar ligações com ele mesmo e outros elementos, já foram identificados mais de incríveis 10 milhões de combinações diferentes. Mais conhecido em suas formas simples como o carvão, diamante e o grafite, seus compostos formam a base da vida orgânica na Terra, além de se combinar com alguns metais resultando em carbetos metálicos, entre eles o aço, que é um doa mais comuns e utilizados para um extenso leque de finalidades.

O grafeno é um material primário do grafite, sendo composto por carbonos com hibridização sp² e foi observado pela primeira vez em 2004 na Universidade de Manchester – Inglaterra, pelos físicos Andre Geim e Konstantin Novoselov, lhes rendendo o Prêmio Nobel da Física em 2010. Seus átomos estão arranjados em uma estrutura hexagonal, formando uma rede plana (visualmente muito similar a favos de mel) com espessura de um átomo, sendo deste modo, o primeiro material bidimensional da história já observado pelo homem. Seus pesquisadores alcançaram o isolamento a partir de um processo conhecido como clivagem, utilizado para limpar superfícies de grafite para análise. Com o uso de uma fita adesiva específica, gruda-se a fita e retira-se logo em seguida, obtendo finas camadas (neste ponto, são praticamente transparentes) e, logo após, transferidos para o substrato de dióxido de silício previamente limpo, para que seja possível observá-lo.

Teoria

O carbono é um elemento extraordinário, devido às suas inúmeras possibilidades de arranjos e obtenção de propriedades importantes a partir deles. O grafeno não poderia ser diferente, tendo excelentes propriedades mecânicas (material mais rígido conhecido na natureza, ou seja, o detentor do maior valor da constante elástica), térmicas (altíssima condutividade térmica e apresentam o maior ponto de fusão; >4000 °C) e por fim, propriedades elétricas (apresenta condutividade elétrica), que é a propriedade que será aprofundada a seguir.

Quando há a ligação de carbono-carbono na condição hibridizada de sp², pode-se definir a célula unitária, que se repete periodicamente ao longo da rede. Na célula unitária do grafeno, existem 2 átomos de carbono, inequivalentes, logo, quando observadas somente as células equivalentes, é possível perceber que ambas compõem uma rede triangular, formando juntas o formato hexagonal do grafeno [figura abaixo].

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No meio da rede do grafeno, não existe magnetismo, pois para que haja esta propriedade em um determinado material, ele deve conter spins desemparelhados produzindo momento de dipolo magnético, e no meio do grafeno, em cada célula unitária (que contém dois átomos de carbono, que podemos chamar de átomo A e átomo B), cada átomo contém um spin que aponta para direções contrárias e anulam-se, inibindo assim, a propriedade de magnetismo. Quando é gerado a condição de sobreposição de 2 camadas, a primeira mudança que pode-se observar é o comportamento parabólico onde as bandas de valência e as bandas de condução se tocam, havendo assim a condução. Quando o sistema é conectado a uma corrente elétrica e controlado por uma porta lógica, ele conduz eletricidade quando o sistema está fechado, porém quando o sistema está aberto, ele não consegue interromper essa transmissão por completo, pois as bandas (valência e condução) ainda estão em contato. Para que essa condução seja totalmente interrompida, um campo elétrico deve ser aplicado de forma perpendicular aos planos, gerando um gap (lacuna) entre as bandas.

Aplicações

Dentre as muitas possibilidades de atuação do grafeno, há a substituição de displays de aparelhos eletrônicos (smartphones, tablets, televisões) que, atualmente é fabricado com SnO2, pelo grafeno, que por ter a maior constante elástica conhecida, possibilita a produção de aparelhos dobráveis, ou seja, é praticamente impossível conseguir quebrá-lo.

Outra aplicação é a introdução do grafeno na produção de fones, ideia surgida na Universidade da Califórnia, onde os cientistas prendem um diafragma de grafeno entre 2 eletrodos de silício (que permitem a vibração para a produção do sim), mostrando-se resistente e fiel, além de uma qualidade de áudio próxima à dos principais produtos no mercado atual.

Outra excelente utilidade para o grafeno é uma espécie de cabo de transmissão de dados para a internet, que consiste na ideia de aproveitar a velocidade atingida pelos elétrons na rede de grafeno para a transmissão de dados, pois a velocidade do elétrons é centenas de vezes mais rápido que os cabos atuais. Além da utilidade eletrônica, o grafeno pode atuar em outras áreas, como por exemplo, a purificação da água, que consiste em fazer a água salgada passar por dentro de um filtro feito de grafeno, que é capaz de reter todo o sal da água, tornando-a potável.

Mais uma de suas vantagens já observadas e que tem sido amplamente estudada é a propriedade de se comportar como um “super capacitor”, onde é obtido resultados muito positivos dos experimentos como o exemplo de um aluno, que tentando encontrar novas maneiras de fabricar lâminas de grafeno, acabou desenvolvendo um disco de grafeno que, com apenas 2 segundos de carga, foi capaz de sustentar um LED aceso por cerca de 5 minutos.

Apesar de ser um material já conhecido desde o último século, só foi possível analisá-lo na última década, desencadeando somente agora, uma série de buscas para utilização do novo material, obviamente, ele não se restringe somente aos exemplos citados, pois trata-se de um material composto por carbono, que possui uma versatilidade incrível, além da estrutura por si já ter propriedades incríveis, e toda a capacidade e utilização deste material ainda está