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.
Estrutura e propriedades
O grafeno é uma camada de grafite formada por átomos de carbono que formam hexágonos.
Este material é transparente, elástico, flexível, condutor de eletricidade, bidimensional e com um átomo de espessura.
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.
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).
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.
Estas telas poderão ser colocadas em janelas, vidros de automóveis e lentes de contato para mostrar conteúdo e informações.
- 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.
- 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.
- 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.
- Semicondutores: A maior condutividade pode aumentar a velocidade de transistores e processadores.
- Pintura: Uma tinta com grafeno pode proteger uma estrutura de stress mecânico, corrosão, calor e umidade.
