Uma das instituições precursoras da pesquisa em nanomateriais no Brasil, a Universidade de Caxias do Sul, vinha pesquisando o grafeno desde que o material foi isolado pela primeira vez, em 2004, e por isso desenvolveu diferentes rotas de produção que agora culminaram na inauguração de uma planta para produção do material em escala industrial. A unidade poderá abastecer o mercado com um insumo avançado e versátil, que pode ser usado na criação de produtos com características muito particulares, especialmente no setor de compósitos.
Conectada ao Parque de Ciência, Tecnologia e Inovação da Universidade de Caxias do Sul (TecnoUCS), a unidade ocupa 775 metros quadrados e opera desde 14 de março, com capacidade de produção de até 500 kg/ano e possibilidade de ampliação para até 5.000 kg/ano, habilitando o UCSGraphene a prestar serviços para os mercados nacional e internacional.
"Neste momento em que se faz necessário pensar na retomada da industrialização em meio ao enfrentamento da pandemia da Covid-19, a UCS disponibiliza ao segmento empresarial esta alternativa de qualificação de produtos, de modernização tecnológica e de competitividade, colocando-se na vanguarda do desenvolvimento econômico e social", declarou o pró-reitor de Pesquisa e Pós-Graduação da Universidade, Juliano Gimenez, na ocasião da inauguração, feita de forma remota, devido às restrições impostas pela atual política de distanciamento social (veja aqui o vídeo institucional).
Dentre as aplicações pesquisadas pelo UCSGraphene estão as áreas de revestimentos avançados, materiais inteligentes, equipamentos de segurança, metais, compósitos e cerâmicas.
Origens e características do grafeno
Considerado o material do futuro até alguns anos atrás, o grafeno é hoje um insumo praticamente consolidado e disponível para testes em diferentes aplicações, sobretudo no desenvolvimento de compósitos poliméricos, que podem adquirir um pouco das suas excepcionais propriedades térmicas, mecânicas e elétricas a partir da adição de pequenas frações. Embora envolva tecnologia avançada, a sua obtenção não é mais um segredo, a sua popularização está se tornando uma realidade.
O grafeno faz parte de uma família de materiais de nanocarbono. Ele consiste em um arranjo bidimensional de átomos de carbono ligados entre si formando um padrão hexagonal semelhante a um favo de mel que dá origem a uma série de materiais denominados de acordo com o formato assumido por essa malha de hexágonos: o fulereno, por exemplo, apresenta formato esférico, enquanto os nanotubos apresentam formato cilíndrico. Tem como características gerais uma resistência mecânica cerca de 100 vezes maior que a do aço, flexibilidade e leveza, além de alta condutividade térmica e elétrica.
O material começou a ser estudado no final da década de 1990, e em 2004 dois pesquisadores da Universidade de Manchester, Andre Geim e Kostya Novoselov, ambos de origem russa, conseguiram extraí-lo de uma amostra de grafite utilizando a técnica de esfoliação mecânica. Denominados desde então "pais do grafeno", ambos ganharam em 2010 o Prêmio Nobel de Física pelo trabalho de investigação sobre o material. Simultaneamente, porém, já se realizavam em muitos outros países estudos sobre o grafeno. E o Brasil não foi exceção.
As primeiras iniciativas por aqui também datam do final da década de 90, e mobilizaram uma extensa rede de pesquisa científica que capacitou o País a criar centros de desenvolvimento do material, os quais hoje estão preparados para fornecer a tecnologia para o seu uso, por meio de projetos integrando empresas e a academia.
De acordo com Guilhermino Fechine, especialista em nanocompósitos poliméricos à base de grafeno e membro do MackGraphe, laboratório de estudos desse material na Universidade Presbiteriana Mackenzie, estudos teóricos e experimentais baseados em testes feitos em folhas individuais de grafeno indicaram propriedades extremamente elevadas, tais como módulo de elasticidade (~1.000 GPa), resistência à fratura (~125 GPa), condutividade térmica (~ 5.000 Wm-1K-1), extensa área superficial (valor calculado, ~ 2.630 m2g-1), condutividade elétrica a temperatura ambiente superior à do cobre e impermeabilidade a moléculas gasosas, entre outras.
É possível obtê-lo por quatro principais processos: esfoliação química em fase líquida a partir do grafite, deposição química da fase vapor (CVD, de chemical vapour deposition), esfoliação micromecânica e crescimento de grafeno em carbeto de silício (SiC), sendo este último feito em um forno aquecido a temperaturas variando entre 1.500 ºC e 2.000 ºC, que promovem a sublimação do silício do substrato para que o carbono se reorganize, formando as monocamadas(1).
A disposição de partículas em escala nanométrica confere ao grafeno a capacidade de fazer uma cobertura superficial muito grande, e por isso a sua adição aos compostos poliméricos ocorre em uma proporção menor do que a usada para cargas reforçadoras convencionais. Enquanto para estas são usadas normalmente frações de 2 a 3%, para o caso do grafeno bastam teores de 0,1 a 0,2% em massa de material puro. "Para se ter ideia, com três gramas de grafeno é possível cobrir um campo de futebol", informou Fechine, lembrando que a dispersão do material é um grande desafio. Como ele reaglomera muito facilmente, a sua inserção na matriz polimérica foi um impasse que consumiu três anos de pesquisa no MackGraphe. "Todos os polímeros oferecem resistência à dispersão do grafeno, e por isso é necessário funcionalizá-lo de acordo com a matriz que o receberá, o que pode ser feito por meio de diferentes rotas químicas", explicou.
Desde sua criação o MackGraphe se dedica à pesquisa do grafeno e seus derivados, que fazem parte de uma classe de materiais denominada Materiais Bidimensionais (M2D). Além do grafeno, o grupo de Compósitos do MackGraphe vem se dedicando à aplicação de outros M2D que também apresentam propriedades muito singulares. Alguns exemplos deles são dissulfeto de molibdênio e nitreto de boro hexagonal.
Para o segmento de injeção, o MackGraphe já trabalhou com um poliuretano termoplástico (TPU) carregado com óxido de grafeno em parceria com a Case Western Reserve University gerando um produto de alta resistência à abrasão, com patente registrada nos Estados Unidos, podendo ser usado em diversos setores, tais como a fabricação de solados de tênis.
O grupo de pesquisa do centro também desenvolve a produção de masterbatches sob medida para diferentes polímeros. Nesse caso, o cuidado em evitar uma reaglomeração na preparação ainda é maior, devido aos altos teores usados na formulação.
De acordo com a pesquisadora Glaura Goulart Silva, professora do Departamento de Química e da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e membro do Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno (CT Nano), as aplicações no setor de revestimento de tubulações para gás, aeronáutico e de mineração direcionam hoje a linha de pesquisa daquela instituição, que produz bateladas diárias do material para o desenvolvimento de escalas-piloto, pelos processos de CVD e esfoliação.
Com apenas 100 gramas do material é possível aditivar 10 quilos de polímero, atribuindo-lhe propriedades como resistência ao impacto, à corrosão, entre tantas outras. O CT Nano é capaz de entregar hoje masterbatches contendo grafeno a partir de polímeros-base como polietileno (PE), polipropileno (PP) e poliuretano termoplástico (TPU). "A tecnologia no Brasil já está demonstrada e já tem maturidade, falta a agressividade para se lançarem produtos baseados no grafeno", afirmou Glaura, enumerando como potenciais produtos as embalagens de material eletrônico, que necessitem de dissipação eletrostática e peças cujo uso implique a blindagem eletromagnética, notadamente no setor de eletroeletrônicos e telecomunicações (tecnologia 5G, por exemplo).
A instituição possui importantes parcerias com empresas como Petrobras, Magnesita e Nacional de Grafite, cujas pesquisas caminham no sentido de desenvolver e tornar viáveis comercialmente revestimentos para tubulações e a aditivação de polímeros. Também está envolvida no projeto MGGrafeno, da Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais (Codemge), em parceria com o Centro de Desenvolvimento de Tecnologia Nuclear (CDTN), produzindo atualmente cerca de 300 kg/anuais do produto.
A rede de pesquisa em grafeno no Brasil
Os estudos teóricos sobre nanotubos de carbono, cuja base é o grafeno, tiveram início no Brasil no final dos anos 90, na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Já no ano 2000 foram produzidos nanotubos e em 2002, com o apoio do Instituto Millenium de Nanociência, apoiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), foi instalado um laboratório de espectroscopia Raman no local, assim como um sistema para a obtenção de nanotubos por deposição química de vapor, com as primeiras amostras sendo produzidas em 2003.
Concomitantemente, o grupo de estudos do Instituto de Física Gleb Wataghin, da Universidade Estadual de Campinas (IFGW/Unicamp), foi o primeiro a sintetizar nanotubos de parede única no Brasil(2).
Na Universidade Federal do Paraná (UFPR) também se desenvolvia, na mesma época, um método alternativo para a produção dos nanotubos e outro para encapsular neles fios de óxido de ferro. Outra instituição que se engajou na pesquisa foi o grupo do Instituto de Física da Universidade Federal do Ceará (UFC), onde foram isolados nanotubos com diâmetros inferiores a 1 nm para apontamento de discrepâncias entre métodos de cálculo e de medição.
A cooperação entre universidades abriu novas perspectivas de estudo dos nanomateriais de carbono, as quais foram ampliadas com a constituição da Rede de Nanotubos de Carbono, em 2005, também apoiada pelo CNPq e composta por 40 cientistas de 14 instituições de oito estados brasileiros. Ela passou a promover a mobilidade entre grupos de estudos teóricos e experimentais de diferentes regiões do País, tendo em vista a cooperação científica envolvendo a construção de instalações para uso comum e a organização de encontros anuais em que pesquisadores e estudantes puderam compartilhar informações e iniciar a colaboração.
Passaram a integrá-la os setores de pesquisa em física da Universidade Federal Fluminense (UFF) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), consolidando uma base sólida em conhecimento científico, infraestrutura para a realização de experimentos e recursos humanos qualificados.
A iniciativa seguinte para consolidar a base científica no setor foi a criação, em 2009, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Nanomateriais de Carbono INCT-CN, apoiado pelo CNPq e pela Fapemig, agência de fomento do Estado de Minas Gerais, visando manter e ampliar as atividades da rede inicial. O MackGraphe, laboratório de propriedade da Universidade Presbiteriana Mackenzie (São Paulo, SP), foi inaugurado em março de 2016 e também está ligado ao INCT-CN.
Inicialmente composto por 70 cientistas de 20 instituições localizadas em nove estados brasileiros, o instituto teve incluídos entre os seus objetivos a produção de grafeno por diferentes métodos e a realização de estudos sobre toxicologia e questões de segurança relacionadas aos nanomateriais de carbono. Passou então a incluir em seu quadro biólogos e engenheiros de diferentes áreas, muitos deles com passagem pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT).
O número de cientistas, estudantes graduados, artigos e patentes aumentou exponencialmente, a ponto de tornar difícil o mapeamento das iniciativas de pesquisa. Conforme dados do sistema Scopus, uma base de dados de resumos e citações criada em 2004 pela editora Elsevier, foram publicados por pesquisadores brasileiros, até 2018, cerca de 2.500 artigos sobre nanotubos de carbono e 1.500 artigos sobre grafeno(2).
Poliolefinas expandidas produzidas a partir de matérias-primas secundárias
1) ALENCAR, Eduardo; SANTANA, Delano . Processos de obtenção do grafeno, suas aplicações e sua importância para o Brasil. Centro de Pós-Graduação Oswaldo Cruz
2) PIMENTA, Marcos ; MONSERRAT, L. A. G. ; FAGAN, S.B. . History and National Initiatives of Carbon Nanotube and Graphene Research in Brazil. Brazilian Journal of Physics, v. 49, p. 288-300, 2019.