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Ciência e Tecnologia

UFPR está entre as instituições que mais produzem ciência sobre grafeno no Brasil; veja como o material é estudado

Camille Bropp     7 de agosto de 2019 - 11h10

Um levantamento na base de citações Web of Science aponta que a UFPR é a 11ª instituição de pesquisa do Brasil que mais produziu trabalhos científicos sobre o grafeno — um material à base de carbono que tem levantado interesse nos últimos dez anos por possuir qualidades como leveza, resistência e condutibilidade. O dado considera trabalhos sobre o material que estão enumerados na série histórica da base, mantida pela companhia Clarivate Analytics, até o último dia 31 de julho. Todas públicas, as 11 universidades brasileiras que mais produzem sobre o grafeno responderam por 1,26% da produção científica mundial (na ordem: Unicamp, USP, UFMG, Uerj, UFC, Unesp, Ufscar, UFF, UFRJ, UFRGS e UFPR).

Na UFPR, as pesquisas sobre o grafeno mobilizam diversas áreas de conhecimento, especialmente a físico-química, as ciências de materiais e a química multidisciplinar (veja o gráfico abaixo). Segundo o Web of Science, os primeiros trabalhos foram publicados em 2011, um ano após a entrega do Nobel de Física aos dois cientistas de origem russa que isolaram o material. Até agora, o pico de publicações na universidade ocorreu em 2017, com 26 papers dos 103 já editados. Segundo o banco, os trabalhos acumulam 1.462 citações.

Grafeno é uma forma micro-organizada do carbono, com qualidades relevantes, como resistência, maleabilidade e condutibilidade. Imagem representa lâmina de grafeno. Crédito: AlexanderAlUS/Wikimedia Commons, 31/5/2011

Uma meta das pesquisas na UFPR está na produção do grafeno com qualidade e em grande escala, uma vez que o material é formado por uma única lâmina de átomos de carbono. O grafeno é o bloco construtor do grafite, que é encontrado na natureza — principalmente no Brasil, que possui a segunda maior reserva de grafite do mundo –, mas sua extração do grafite é bastante difícil. 

Por conta disso, nos últimos anos, saíram do Grupo de Química de Materiais (GQM) da UFPR, ligado ao Programa de Pós-Graduação em Química (PPGQ), em Curitiba, trabalhos que permitiram sugerir à comunidade científica modos diferentes de produzir o grafeno com os critérios de escala e qualidade. A produção de grafeno pelos laboratórios do GQM já gera insumos para várias pesquisas na UFPR, que envolvem o desenvolvimento de baterias, células fotovoltaicas e processos para destruir pesticidas e armas químicas.

“O desafio é criar grafeno de forma barata, em condições brandas e sem grandes equipamentos, mas com a qualidade que mantenha as principais características dele. É um material com qualidades fantásticas, que têm sido estudadas na UFPR em várias frentes”, conta o professor e pesquisador Aldo J. G. Zarbin, que coordena o grupo de pesquisa. Ele aparece no Web of Science entre os cinco principais autores de trabalhos sobre o grafeno no Brasil no período mencionado

Criação

Os estudos no GQM já viabilizaram o desenvolvimento de duas formas de gerar grafeno, com metodologias totalmente diferentes. O primeiro trabalho foi publicado em 2013, com a defesa de doutorado no PPQG do pesquisador Sérgio Humberto Domingues, que já havia concluído o mestrado no programa. A tese traz um novo caminho para a produção do grafeno, chamada de “rota mecanoquímica”, que combina processos físicos e químicos para produção do nanomaterial — o método prevê esfoliação direta do grafite (composto de carbono) em meio líquido. Outra metodologia, também desenvolvida na mesma tese de doutorado, foi através de um processo  de oxidação do grafite para em seguida produzir o óxido de grafeno reduzido, uma estrutura análoga ao grafeno.

“O grande apelo em relação a esse método de síntese ficou centrada na facilidade, reprodutibilidade e também por ser uma metodologia baseada em processos químicos que permitiam produção do material em grande escala”, explica Domingues, hoje professor na Universidade Presbiteriana Mackenzie, em São Paulo, onde coordena o grupo de pesquisa no Centro de Pesquisa Avançada em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologia (MackGraphe). O doutorado na UFPR marcou o primeiro contato do pesquisador com o grafeno, sob a orientação de Zarbin, e a tese recebeu menção honrosa no Prêmio Capes de Tese de 2014.

Áreas de conhecimento em que o grafeno tem sido estudado na UFPR, segundo a distribuição dos papers. Crédito: Reprodução/Web of Science

Na contramão da primeira metodologia para produzir grafeno criada no GQM — que partia de um material  macro, o grafite, para chegar ao nanomaterial –, outra tese apresentada em 2018 descreve rota de produção através de síntese química. Mesmo em condições brandas (temperatura e pressão ambientes), a pesquisadora Laís Cristine Lopes mostrou como obter o grafeno por meio da agregação de moléculas simples. O artigo que descreve esse caminho foi publicado com destaque no periódico Chemical Science, da Royal Society of Chemistry, em agosto de 2018.

Por meio do aprimoramento da síntese, os pesquisadores da UFPR conseguiram obter a maior folha de grafeno produzida por processo químico já relatada, como reportado pela Royal Society of Chemistry. “Em vez de cortar o pão para obter uma fatia, que seria o grafeno, na síntese química se atua para juntar as migalhas do pão. A dificuldade é saber como organizar essas migalhas”, explica Zarbin. 

Segundo Laís, um dos desafios do processo de desenvolvimento da metodologia foi a remoção de um remanescentes da síntese, o óxido de ferro. A dificuldade, porém, se mostrou producente porque permitiu que as amostras contribuíssem em outras investigações. “A presença desse subproduto, que tem espécies de ferro, no material final, possibilitou a aplicação das amostras como material para baterias aquosas e em dispositivo eletrocrômico”, conta Laís. A pesquisadora atualmente faz pós-doutorado na Universidade Estadual Paulista (Unesp) com enfoque voltado à aplicação do grafeno.

Um degrau que possibilitou a construção dos dois trabalhos começou anos antes no GQM, com os estudos do pesquisador Rodrigo Villegas Salvatierra, que concluiu mestrado e doutorado na UFPR  entre 2008 e 2014, sob orientação de Zarbin. No PPGQ, ele teve os primeiros contatos com nanomateriais e iniciou as pesquisas que levaram, mais à frente, à adaptação tanto do do método mecano-químico quanto o da síntese química  para a produção de grafeno. A tese de doutorado do Rodrigo Salvatierra foi a vencedora do Prêmio Capes de Tese de 2015, como a melhor tese de doutorado em química produzida no Brasil naquele ano.

Ambos os métodos partiram de constatações colaterais das pesquisas de Salvatierra para obtenção de dispositivos fotovoltaicos (que convertem energia solar em elétrica). Atualmente, o pesquisador investiga baterias de alta performance na Universidade Rice (EUA). “Certamente, minha experiência no doutorado e mestrado com grafeno e nanotubos de carbono contribui significativamente para esta e outras descobertas durante meu trabalho de pesquisa”.

Matemática

Produzir grafeno não é a única questão que envolve esse nanomaterial — é preciso também saber como usá-lo. Outra vertente de investigação do grafeno na UFPR abrange o uso de cálculos matemáticos para simulação das formas de aplicação do grafeno. “Por meio de testes teóricos é possível saber se o grafeno serviria para substituir certos tipos de metal ou poderia compor determinados dispositivos”, afirma o professor e pesquisador José Eduardo Padilha de Sousa, do Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia do Setor Palotina da UFPR. Padilha desenvolve estudos na área desde 2015 na universidade.

Por meio da ciência básica, já foi possível desenvolver, por exemplo, a ideia de aplicação de grafeno como material semicondutor em transístores (dispositivo que conecta um circuito elétrico, comum portanto em eletrônicos). Na UFPR, o pesquisador tem se dedicado a entender, por meio das simulações, como as camadas de grafeno são capazes de realizar contatos metálicos dentro de novos dispositivos e como as barreiras de contato são formadas nesses sistemas. “A teoria permite combinar materiais para compor dispositivos. É a melhor forma de testar esses arranjos sem ser por tentativa e erro dentro de um laboratório, ou seja, sem jogar dinheiro fora”.

O professor avalia que talvez o principal benefício da descoberta do grafeno tenha sido o desenvolvimento do campo de pesquisa de materiais bidimensionais, isto é, da ampla família da qual o grafeno faz parte. “Dentro dessa nova área, existem uma infinidade de novos materiais bidimensionais, que podem ser utilizados em diversas aplicações, indo desde a optoeletrônica até a nanoeletrônica. Nisso entram os dicalcogenetos  de metais de transição, o fosforeno, o borofeno e outros, todos materiais disponíveis com muitas potencialidades de aplicação”.

Conheça melhor as pesquisas do GQM/UFPR aqui

Acesse a tese “Filmes finos, transparentes e condutores baseados em grafeno” (2013) neste link

Acesse a tese “Filmes finos de polímeros conjugados e nanoestruturas de carbono obtidos em interfaces líquido-líquido” (2014) neste link

Para mais dados sobre as avaliações teóricos da aplicação de nanomateriais, leia os artigos “Van der Waals Heterostructure of Phosphorene and Graphene” (aqui), “Directional dependence of the electronic and transport properties of 2D borophene and borophane” (aqui) e “Metal Chalcogenides Janus Monolayers for Efficient Hydrogen Generation by Photocatalytic Water Splitting” (aqui)