grafeno

O advento da nanotecnologia abriu múltiplas portas para a ciência aplicada. Através de uma potente lupa binocular, observa-se um circuito impresso com semicondutores que incorporam grafeno monocamada.

Descoberto já no século XXI, o grafeno protagoniza uma revolução científica e tecnológica que está a passar por Portugal. 

Texto e fotografias: António Luís Campos 

Atrás de amplas janelas de vidro, vários vultos circulam em longos corredores brancos, como numa coreografia não ensaiada mas surpreendentemente harmoniosa. Num cenário de ficção científica, iluminados pelas luzes amarelas e azuis que a complexa maquinaria emite, os investigadores do Laboratório Internacional Ibérico de Nanotecnologia (INL), em Braga, criam um dos mais revolucionários materiais da actualidade: o grafeno.

Embora o nome pouco diga ao cidadão comum, é provável que já o esteja a utilizar no seu quotidiano. Na verdade, é a forma cristalina, bidimensional, do carbono (mais tradicionalmente visto na forma de grafite, o material do humilde lápis). Consiste numa camada microscópica de átomos de carbono, com propriedades que o tornam imensamente versátil em múltiplas indústrias tecnológicas: dos aviões aos satélites, passando por instrumentos médicos, telemóveis e até na roupa. As suas aplicações parecem não conhecer limites. Na forma mais pura (em monocamada, com a espessura de apenas um átomo), o seu valor pode atingir cem mil euros por grama.

O grafeno foi descoberto recentemente, em 2004, por Andre Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester, que no final da década receberam o Prémio Nobel da Física por esse trabalho. Em 2013, a União Europeia criou uma das mais ambiciosas empreitadas científicas de sempre, The Graphene Flagship, atribuindo mil milhões de euros a um conjunto de grandes indústrias e laboratórios académicos, com o objectivo de dar vida ao grafeno e de o aplicar no quotidiano de milhões de pessoas.

Como se obtém este supermaterial? A produção de grafeno monocamada exige pessoal altamente especializado, além de infra-estruturas e equipamentos muito específicos e dispendiosos, algo apenas possível numa unidade como o INL de Braga, que conta com uma equipa de trezentos técnicos e um investimento inicial de cem milhões de euros, comparticipado pelos governos de Portugal e Espanha.

A sala limpa do INL, a mais avançada do país, mantém a temperatura constante e efectua uma filtragem de ar extremamente eficiente. “O Single Layer Graphene é o Fórmula 1 do grafeno”, resume, com humor, o físico Pedro Alpuim. Com a necessária paciência que anos de docência na Universidade do Minho lhe conferem, procura explicar o conceito em termos inteligíveis: “A matéria-prima é um gás, o metano, a partir do qual, com recurso à tecnologia de Deposição Química de Vapor [Chemical Vapor Deposition], o grafeno é criado, usando como ‘sementes’ pequenos defeitos no cobre de alta pureza, o catalisador do processo. O cobre, cuja superfície é parcialmente oxidada, é aquecido a 1030°C, ligeiramente abaixo da sua temperatura de fusão. É criada apenas uma monocamada de grafeno sobre o cobre, em cristais que podem chegar a ter mais de dois milímetros de diâmetro.”

Mostrando um disco dourado nas mãos, semelhante a um enorme CD, continua, compenetrado: “É necessário libertar o grafeno da placa de cobre, aplicando um polímero, que fixa o grafeno no momento da dissolução do cobre. O polímero é posteriormente removido, já assente numa superfície de óxido de silício, e os dispositivos são então impressos no grafeno, à escala da bolacha de silício, um suporte comum na electrónica, completando-se assim o processo.“

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Nas instalações da Graphenest, na antiga fábrica de massas Vouga, um exemplar de borracha compósita com grafeno é analisado pela equipa técnica. A versatilidade deste supermaterial levará à substituição do silício em muitas aplicações actuais.

Bem longe do horizonte de cruzes e torres sineiras que torna Braga inconfundível, após uma curva apertada da estrada sinuosa que sobe a serra, destacam-se à distância grandes silos cilíndricos. O dia sombrio e a chuva intensa camuflam a paisagem e emprestam-lhe um ambiente pós-industrial.

Entramos no VougaPark, antiga fábrica de massas alimentares, em Sever do Vouga, recentemente renascida da ruína, como uma fénix tecnológica. Agora, a fábrica acolhe uma empresa muito particular: a Graphenest.

Fundada em 2015 por Vítor Abrantes, Bruno Figueiredo e Rui Silva, esta startup especializou-se em grafeno e é constituída por uma equipa jovem, liderada por Vítor Abrantes, estudante do mestrado em engenharia de materiais, cujo avô foi o antigo capataz desta mesma fábrica, um peculiar acaso do destino. Num amplo pavilhão de betão, o novo módulo da fábrica, concluído em Agosto do ano passado, brilha com a sua instrumentação inox, tubos coloridos e frascos borbulhantes, capazes de deixar invejoso Doc Brown, o excêntrico cientista do filme “Regresso ao Futuro”.

Para lá das aparências, sente-se um espírito inventivo e irreverente na equipa, mais tarde confirmado pelo director, que entre sorrisos confidencia ter existido muito experimentalismo na génese do projecto: “Tudo começou numa notícia que li no Facebook, sobre baterias de carregamento rápido. Para provar que a nossa tecnologia era viável, tivemos de ser criativos na demonstração. Usámos, por exemplo, o filtro de um Audi para purificar o ar de entrada e recuperámos uma caldeira seminova de uma sucata para criar o sistema de secagem por pulverização. Neste processo-piloto, conseguimos montar o mesmo equipamento com um custo dez vezes inferior ao que uma unidade comercial equivalente teria custado.”

Agora noutro patamar, a Graphenest é um provedor de soluções tecnológicas de grafeno, com aplicações específicas para empresas, e tem vindo a chamar a atenção de gigantes tecnológicos globais, como a Apple, a Samsung ou a LG Electronics, dado que a tecnologia que desenvolve é mais flexível e barata do que as concorrentes. Um sinal dessa relevância internacional foi a nomeação de Bruno Figueiredo, director científico, para a lista “30 Under 30” da revista “Forbes” em 2017 e o facto de a empresa ter sido a única startup estrangeira a integrar um acelerador de empresas da Força Aérea norte-americana em Boston, nos EUA.

“O grafeno é como uma folha de papel, enquanto a grafite é uma resma dessas folhas”, diz Vítor Abrantes. Ao contrário do grafeno, a grafite não tem espessura fixa.

Presentemente, há dois produtos-base em comercialização, adaptáveis consoante as especificações dos clientes: a HexaShield é uma tinta condutora, aplicável a diferentes superfícies e com usos possíveis na blindagem electromagnética (tornando por exemplo uma sala invisível ao electromagnetismo, como uma gaiola de Faraday virtual). A HexaMatrix tem como funcionalidade o reforço mecânico, nomeadamente de resinas (fibras de vidro ou de carbono), e com propriedades como a elevada condutividade térmica e eléctrica e uma grande resistência mecânica.

Os usos comerciais deste inovador material abrangem a electrónica e o sector da defesa, passando pelas indústrias automóvel, naval e até aeroespacial, com aviões como o novo caça-bombardeiro Lockheed Martin F35 e o Boeing 787 Dreamliner que integram componentes com grafeno.

Será o “papel electrónico” a trazer a tecnologia para as mãos do consumidor. Não faltará muito para que seja possível enrolar um tablet e seguir porta fora com ele debaixo do braço. Um dos aspectos que diferencia o grafeno é o facto de ser um material limpo e permitir a reutilização e novos usos, aproximando-se do conceito de economia circular. Além disso a matéria-prima está facilmente disponível, pois o carbono é o sexto material mais abundante do mundo, com grandes produtores (China, Índia, Sri Lanka ou Suécia) a fornecerem diferentes qualidades, com preços que tanto podem ser calculados em duzentos euros por tonelada (para material de qualidade corrente) como em cem euros por quilograma (para material de topo).

“O grafeno é como uma folha de papel, enquanto a grafite é uma resma dessas folhas”, diz Vítor Abrantes. O grafeno é composto por átomos de carbono dispostos numa conformação que se assemelha a favos de mel. Ao contrário do grafeno monocamada produzido no INL, muito mais dispendioso e tecnologicamente mais difícil de criar, aqui trabalha-se numa versão designada few layers. Com a nova unidade industrial, que no conjunto implicou já um investimento de quase dois milhões de euros, a Graphenest tem capacidade de produção de 1,5 toneladas/ano, mas espera expandir esses números em poucos anos.

O cidadão comum tarda em compreender a excitação que esta revolução provocou na comunidade científica, mas as múltiplas aplicações do material e as áreas de grande impacte onde ele será aplicado justificam o entusiasmo. Além da protecção de dados que a já referida blindagem electromagnética proporciona (que pode ser também utilizada no revestimento de bolsos ou carteiras, protegendo telemóveis e cartões bancários, ao eliminar a interferência rádio e electromagnética), a boa condutividade eléctrica permite a aplicação em inúmeros equipamentos electrónicos.

Um dos principais trunfos tecnológicos do grafeno é a diminuição de peso, que poderá também abrir novas portas à redução do consumo energético em aeronaves ou automóveis. Um carro normal tem dois a três quilómetros de cablagem eléctrica. Com a óptima condutividade do grafeno, poder-se-á baixar 75% o peso destes componentes, por substituição dos metais usados, o que aumentará indirectamente a autonomia e eficiência dos emergentes veículos eléctricos.

A flexibilidade mecânica, por outro lado, faculta utilizações em fibras têxteis que permitam a iluminação ou o aquecimento, ou em circuitos impressos aplicados sobre folhas de acetato extremamente finas e não rígidas. Ecrãs flexíveis, que começam agora a surgir em telemóveis, são outra aplicação óbvia.

A panóplia de utilidades parece não ter fim. Bruno Figueiredo aproveita para, com algum humor, descrever um dos mais improváveis projectos que tem sido idealizado, e cujo material-base é... o mirtilo. Usando um subproduto deste fruto, produzido na vizinha serra do Caramulo, é possível extrair um tipo de moléculas, as antocianinas, para as usar com o grafeno na produção de painéis solares flexíveis. As unidades resultantes são translúcidas, embora ligeiramente menos eficientes (2 a 5%) do que as tradicionais. No entanto, estes painéis podem vir a ser aplicados em paredes externas de edifícios, possibilitando a reutilização de 100 toneladas de desperdício desta biomassa!

Talvez o uso mais revolucionário seja na área da saúde. Ainda em fase de desenvolvimento, vários dispositivos já integram o grafeno. Um deles, no âmbito de um projecto europeu liderado pela Universidade de Aveiro, procura a cura para a paralisia por danos na espinal medula: para a reparação, é estimulada a produção de células saudáveis sobre um implante tubular, depois aplicado no corpo do paciente. A Graphenest colabora no desenvolvimento do circuito elétrico que promove a estimulação, estando para breve testes in vivo.

Com instrumentação colorida e frascos borbulhantes, a antiga fábrica de massas deixaria invejoso Doc Brown, o excêntrico cientista do filme “Regresso ao Futuro”.

De regresso à Cidade dos Arcebispos, é precisamente um dispositivo médico que se encontra em testes na bancada do INL, confirmando que a saúde é um dos principais focos desta unidade de investigação e desenvolvimento tecnológico. Sinal da relevância científica do grafeno foi a atribuição, pela Fundação Calouste Gulbenkian, do Prémio Ciência ao físico teórico Nuno Peres, também considerado o cientista português mais citado no mundo, que vem estudando no INL a forma como o grafeno interage com a corrente eléctrica e de que maneira absorve a luz, trabalho esse que deu ainda origem a um artigo publicado na prestigiada “Science”, em 2012.

Jérôme Borme, um afável investigador francês radicado em Portugal, conduz-nos pelo labirinto de salas repletas de máquinas do tamanho de um camião e que são uma metáfora moderna da Torre de Babel, tal a diversidade de feições que nos fitam e das línguas que se escutam.

Chegamos por fim a um laboratório abundantemente iluminado. Escassos minutos volvidos, fixado com cuidado milimétrico pela mão precisa de Jerôme, um biossensor do tamanho de um pequeno cartão de memória SD é testado.

O investigador esclarece que o seu desenvolvimento tem o objectivo de proporcionar análises in situ e resultados rápidos, que hoje exigem complexos equipamentos e processos laboratoriais, e que poderá vir a ser utilizado em cenários de catástrofes naturais ou rastreamento de doenças em regiões remotas. Na escala TRL, que mede o nível de adequação tecnológica de uma solução para um problema concreto, originalmente desenvolvida pela Agência Espacial Norte-Americana (NASA), que vai de 1 a 9, encontra-se já no nível 4, significando que a tecnologia foi validada em ambiente laboratorial e tem viabilidade para desenvolvimento continuado. Da ponta afilada da pipeta, cai uma gota translúcida, que brilha com laivos multicoloridos. Poderá vir a ser de sangue, saliva ou outro material genético. Num futuro não muito distante, um destes dispositivos salvará milhares de vidas. E tudo começou num material abundante na natureza e que, na viragem para o século XX, era quase desconhecido.

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