Por Dentro da Cidade do Grafeno, o Berço do Material Milagroso

Em uma bancada de trabalho iluminada por feixes da luz difusa do inverno, há um pequeno pote de vidro cheio de pó cinza-escuro. Ele não chama muita atenção — seu conteúdo parece com os restos de grafite de um lápis apontado — mas essa é a primeira vez que eu vejo um pote de grafeno.

O grafeno ganhou a atenção do público em 2010, quando dois cientistas radicados no Reino Unido ganharam um Prêmio Nobel por sua pesquisa sobre o material bidimensional.

Ele foi aclamado como um material milagroso: mais forte que aço e muito mais leve; mais conduzivo que o cobre e mais flexível que borracha. O governo britânico apostou no grafeno nos anos seguintes, fornecendo £50 milhões para financiar a pesquisa e desenvolvimento do material em 2011. Haviam rumores sobre uma nova revolução industrial. "A Grã-Bretanha vai voltar a produzir", disse George Osborne, chanceler da Exchequer.

Quatro anos se passaram, e o grafeno continua a dominar as manchetes. Mas apesar da fama, existem várias dúvidas sobre seus usos práticos. Quando iremos ver esse material nos produtos que consumimos diariamente? Como o grafeno pode ser utilizado?

Ou nas palavras de James Baker, diretor de negócios do novíssimo Instituto Nacional do Grafeno (NGI): "O que podemos fazer para impedir que o grafeno se torne um elefante branco?"

O NGI, financiado em grande parte por esse investimento, abre suas portas nesse mês. O instituto faz parte da Universidade de Manchester, onde os cientistas laureados com o Nobel, Andre Geim e Konstatin Novoselov, isoloram o grafeno pela primeira vez em 2003. O plano do instituto é unir pesquisadores e representantes da indústria para estudar os possíveis usos do material.

Daí desponta o sonho de uma "Cidade do Grafeno", a versão britânica do Vale do Silício — cuja gênese, inspirada por um outro material, esquecemos com facilidade.

O grafeno é basicamente uma folha muito fina de carbono: uma camada de átomos de carbono em um padrão hexagonal frequentemente comparado a um favo de mel ou a arame farpado. Como ele só tem um átomo de espessura, o grafeno é conhecido como um material 2D.

É possível (e relativamente fácil) produzir grafeno no conforto de sua casa. Tudo o que você vai precisar é um pouco de grafite e fita adesiva. Se você grudar e desgrudar a fita no grafite, as camadas irão se descolar gradualmente; eventualmente, você terá alguns flocos de grafeno. Foi exatamente assim que Geim e Novosolev "fizeram" o grafeno pela primeira vez.

"É claro que não é tão simples; fabricar grafeno é fácil, mas é difícil ter certeza de que ele foi fabricado corretamente", me explicou o químico Robert Dryfe, que pesquisa a utilização do grafeno na eletroquímica. "É preciso utilizar bons microscópios e outros equipamentos."

A lista de propriedades do grafeno é cheia de superlativos atraentes: ele é surpreendentemente resistente porém incrivelmente leve; ele é extremamente fino e conduz calor e eletricidade de forma extraordinária. Uma camada perfeita de grafeno é impermeável a todo tipo de átomo e molécula.

Essa combinação de atributos significa que o material pode ser utilizado em todo tipo de setor, do eletrônico ao aeroespacial, de embalagens ao farmacêutico — e até mesmo na indústria de tintas.

De certa forma, isso torna a transição do laboratório para as ruas ainda mais difícil. Por onde começar? "Parte do desafio do grafeno é saber qual dessas [possíveis serventias] é real", disse Baker. "Em qual dessas aplicações o grafeno oferece uma vantagem em relação aos materiais convencionais? E o mais importante, como devemos proceder?"

Durante nossa conversa, ele ofereceu vários exemplos dos produtos hipotéticos que tanto empolgam os defensores do grafeno.

Um smartphone, por exemplo. O grafeno o deixaria menor, mais leve e muito mais flexível que um iPhone 6. Graças aos avanços na tecnologia de baterias decorrentes do uso do grafeno, seu celular poderia ficar ligado por mais tempo e ser recarregado muito mais rápido. "O celular do futuro será uma tela muito pequena que você poderá dobrar e guardar dentro do bolso", disse Baker. "Ele poderá ser usado como um relógio ou acoplado à sua roupa, e será recarregado em segundos."

Se aumentarmos a escala dessa ideia e a aplicarmos aos veículos, teríamos "um carro que, ao parar no semáforo, se liga a um carregador no asfalto, carregando sua bateria enquanto espera o sinal verde", explicou.

Esses produtos inovadores ainda não existem, e podem nunca existir; Baker acredita que só veremos o grafeno em uso nas indústrias automobilística e aeroespacial entre cinco a dez anos. Mas o material já está fazendo algumas aparições nos bens de consumo. A marca de equipamentos esportivos Head incorporou o grafeno em alguns modelos de raquete de tênis, utilizadas por Andy Murray e Novak Djokovic na última final do Open da Austrália. A Head afirma que os exemplares da sua linha Graphene XT são até 20% mais leves do que uma raquete convencional, e que mantêm o "mesmo peso de swing" quando atingem a bola.

Enquanto isso, a empresa associada à Universidade de Manchester pretende lançar uma lâmpada LED de grafeno que inclui uma pequena quantidade do material que aumenta sua eficiência; Baker afirma que a lâmpada estará disponível nas lojas entre seis a 12 meses. Além disso, os cientistas laureados já estão andando por aí com dois modelos diferentes de "celulares de grafeno", fabricados na China pela empresa de smartphones AWIT Inc. e a Powerbooster Technologie, uma startup de Xangai. "O mercado ainda é um pequeno nicho; a ideia pode soar absurda, mas já podemos comprar celulares com grafeno", disse Baker.

Atualmente, existem mais de 200 pesquisadores trabalhando com o grafeno e outros materiais bidimensionais em Manchester. Rob Dryfe está se especializando no estudo do uso do grafeno em baterias e supercapacitores. Segundo ele, existem três grandes problemas nas baterias de íon-lítio dos nossos celulares e computadores que o grafeno poderia resolver: elas demoram para carregar, elas não duram tanto quanto gostaríamos e suas performances decaem ao longo do tempo,

"A próxima pergunta é: além de aperfeiçoar essas baterias, será que podemos reproduzi-las na escala de um veículo?" indaga Dryfe. "E a outro questão é: será que podemos utilizar esse mecanismo de armazenamento na escala da rede energética?"

No presente momento, as baterias de íon-lítio não são tão poderosas quanto a gasolina. Dryfe explicou que a densidade energética da bateria — a energia armazenada por unidade de massa — é pelo menos um décimo menor do que a do petróleo. Os carros elétricos da marca Tesla possuem baterias de íon-lítio, mas muitas empresas não se atraem pela ideia de fabricar uma bateria pesadíssima e que ainda dura menos do que um tanque de gasolina.

Na escala energética, uma melhoria no armazenamento de energia poderia significar um crescimento de alternativas renováveis, como a energia solar e eólica. As baterias gigantescas ainda seriam necessárias, mas se elas pudessem armazenar energia por um período maior, essas fontes de energia se tornariam mais confiáveis.

E como o grafeno pode nos ajudar? Normalmente, os eletrodos de uma bateria de íon-lítio são feitos de grafite — o "pai" do grafeno. Quando recarregamos a bateria, os íons se descolam para o grafite, onde a energia é estocada. "Parece que é possível armazenar mais lítio, e por conseguinte mais energia, quando utilizamos o grafeno no lugar do grafite", disse Dryfe.

Outra vantagem do grafeno é que ele pode ser utilizado com outros íons além do lítio. "O grafeno tornaria possível uma bateria de íon-sódio", disse Dryfe. O sódio é muito mais abundante que o lítio — ele pode ser retirado da água marinha — o que faz dele um material mais barato e simples. Tudo isso está na fase de pesquisa, mas Dryfe afirma que ele ficaria surpresa se as baterias com grafeno não invadissem o mercado em três a quatro anos.

No seu laboratório, o doutor Mark Bissett me mostrou um protótipo que está sendo testado pelos pesquisadores. Ele tinha o tamanho de uma bateria de relógio, e era feito de um composto de grafeno e outras substâncias 2D. "Eu não posso dizer exatamente o quê, porque essas pesquisas são sigilosas, mas estamos observando várias coisas interessantes em nossas pesquisas com o grafeno e outras materiais", disse Dryfe.

Eles também estão tentando explorar diferentes formas de produzir o grafeno. Esse é um grande desafio técnico, pois não há nenhum método que produza um grafeno perfeito e em grandes quantidades. Não dá para fazer muito com um rolo de Durex.

Uma das técnicas é produzir óxido de grafeno e em seguida esfoliar a substância em pequena lascas individuais. "Mas esse grafeno é oxidado, da mesma forma que o vinagre é o vinho oxidado", disse Dryfe. Assim como não podemos transformar vinagre de volta em vinho, é impossível transformar o óxido de grafeno em grafeno puro.

Outro método estudado por Dryfe nos traz de volta à ideia das baterias de íon-lítio. O lítio é um dos menores íons da natureza, e se encaixa perfeitamente entre as camadas de grafeno; Dryfe está tentando usar um íon maior, que funcionaria como uma cunha ou um minúsculo machado, quebrando o grafite em pequenas folhas de grafeno.

Ele irá testar esse método de produção em larga escala quando o Instituto Nacional do Grafeno abrir suas portas.

O NGI fica a uma curta distância dos departamentos de química e de física da universidade; sua fachada brilhante reflete o céu invernal que cobre os tapumes da construção. Seu exterior é decorado com um padrão de fava de mel, uma referência ao arranjo de átomos de carbono do grafeno, e quando a luz bate do jeito certo, os hexágonos de diferentes tamanhos formam uma das fórmulas do trabalho premiado de Geim e Novoselov. Me disseram que Novoselov enfiou uma "piada" na equação dos painéis, mas ninguém sabe qual — ou se é preciso ter um Nobel de física para entendê-la. Geim e Novoselov não estavam disponíveis para pronunciamentos.

Riyaaz Patel, um coordenador sênior na empresa EC Harris, de consultoria do ramo de construção civil, me apresentou o edifício enquanto vestia um capacete e botas de segurança. Umas das principais partes do instituto está escondida em seu porão, ocupado quase que completamente por um salão branco e enorme com ordens muito rígidas para manter as partículas no ar numa quantidade mínima. Uma série de corredores permite que a equipe de manutenção chegue nos equipamentos sem entrar, de fato, nas salas, e há até um "elevador limpo" que liga o porão a uma sala de teste menor no andar de cima.

O resto do edifício conta com laboratórios e salas de reuniões, e ainda uma sala no terceiro andar com 20 tipos de gases para experiências. Patel me disse que, caso alguma explosão ocorra, a localização da sala a separa do resto do edifício. Existem também algumas "salas dentro de outras salas", saletas separadas por portas de metal que cancelam os efeitos magnéticos que possam interferir no resultado dos testes.

O térreo é inutilizável; ele é coberto de dutos, cabos, ventiladores e sistemas de iluminação ligados à sala limpa, acessível apenas pelos corredores de aço. Do outro lado do edifício, os laboratórios são separados das outras áreas por um vão entre as paredes, de forma que nenhuma vibração atravesse-as e atrapalhe as delicadas experiências.

Espera-se que as instalações, os equipamentos e os pesquisadores do instituto atraiam a indústria, e, com ela, novas ideias, problemas, mercados e dinheiro — tudo o que for preciso para transformar o grafeno em um material utilizável.

No departamento de física, o pesquisador Rahul Nair me mostrou uma versão rudimentar de algo completamente diferente da bateria de Dryfe: uma membrana de óxido de grafeno.

A pesquisa de Nair tem como foco uma das característica menos atraentes do grafeno: a impermeabilidade. O óxido de grafeno, que é nada mais do que o grafeno "carregado" com alguns grupos de oxigênio, compartilha parte dessa característica. "O óxido de grafeno é altamente permeável à água, mas é impermeável a qualquer gás", explicou Nair. Isso significa que, em teoria, ele poderia ser utilizado como um filtro seletor conhecido como peneira molecular.

Essa membrana poderia ser utilizada na filtragem de água, particularmente na etapa da dessalinização: uma membrana com poros do tamanho correto poderia filtrar o cloreto de sódio da água salgada.

As membranas de Nair ainda não chegaram nesse ponto, mas ele está se esforçando. As membranas não são formadas por uma camada de óxido de grafeno, mas sim por milhares delas (o que significa que elas são visíveis a olho nu). Ao modificar o material com outros grupos e átomos, ele espera reduzir o espaço entre cada camada, chegando a um número menor do que o atual nanômetro. "Se conseguirmos reduzir esse espaço para menos de um nanômetro, poderemos utilizar essas membranas como filtro", ele disse.

O pesquisador Yang Su me mostrou uma membrana de grafeno em ação. Ele colocou o círculo pequeno e amarelado, apoiado sobre um filme plástico esbranquiçado, dentro de um pressurizador de metal. Em seguida, ele derramou um pouco de água com tinta laranja na membrana, e aplicou um pouco de gás para empurrar o líquido. Nós esperamos entre 15 e 20 minutos, durante os quais Su aumentou a pressão da máquina para acelerar a experiência e poder ir logo para sua próxima reunião. Justo quando estávamos marcando de voltar mais tarde para ver os resultados, a primeira gota caiu do bocal do pressurizador. A gota era cristalina; toda a tinta havia sido filtrada.

Foi algo impressionante de se ver, mas é provável que nós não vejamos o grafeno sendo utilizado para filtrar água tão cedo. Desenvolver as inúmeras aplicações do grafeno não depende apenas do avanço tecnológico; o problema também é econômico.

Nair me explicou que não existe uma demanda para essas membranas de grafeno nas plantas de filtragem por osmose reversa, e que esse setor pode não se interessar pela ideia de substituir suas membranas atuais. "O problema é o custo", explicou Nair. "Eles podem não se interessar em substituir a tecnologia existente por uma nova, que pode representar um risco para os negócios". As membranas têm mais chance em novos processos que ainda possuem pouca infraestrutura própria, como a osmose forçada.

O apelo comercial de outra aplicação estudada por Nair é bem diferente: esse outro produto é uma camada de grafeno que, ao invés de filtrar a água, deixa qualquer superfície impermeável. Su me mostrou um tijolo que havia sido pintado pela metade com uma camada de óxido de grafeno, uma substância preta que alisa todas os desníveis da superfície do tijolo. Ele derramou uma pequena quantidade de água nos dois lados do tijolo: na superfície original, a água foi absorvida quase que instantaneamente, enquanto no lado pintado, a água formou uma pequena bolha.

Esse produto tem um mercado e tanto. "Muitas pessoas estão atrás de uma película impermeável", disse Nair — especialmente por causa da demanda por revestimentos protetores e anti-corrosão em indústrias como a de construção de navios a nuclear. "Então agora o desafio é aumentar essa escala e ter certeza de que esse revestimento funcionará da mesma forma."

Aumentar a escala é a parte mais importante do próximo capítulo da história do grafeno, tanto cientificamente quanto comercialmente. Enquanto os cientistas tentam encontrar formas de produzir grandes quantidades de grafeno, e de testar suas propriedades em grandes quantidades do material, a equipe comercial do NGI está focada em gerar mais interesse público e conseguir mais investimentos.

Baker, o diretor de negócios da NGI, explica o problema segundo a "escala de prontidão tecnológica" (ou TRL, na sigla original), uma escala de nove níveis que medem a maturidade de alguma tecnologia. O primeiro nível marca a ideia inicial; o último é o produto final. O grafeno, segundo ele, está atualmente no nível dois ou três. "Os cientistas normalmente focam nas etapas um, dois e três", ele disse. "Eu não diria que eles acham as outras etapas chatas, mas a motivação deles costuma estar na descoberta em si."

O problema é que, em nosso atual clima de cautela extrema, ainda é cedo para chamar atenção do mercado. Baker disse que os níveis de três a seis são conhecidos como o "vale da morte".

O RU foi criticado por sua ausência na corrida das patentes do grafeno; os EUA e a China já entraram com vários pedidos de patente. Baker admitiu que uma guerra de patentes poderia dissuadir algumas empresas de se envolver no mercado, mas acrescentou que ele acredita que algumas poucas patentes substanciosas irão sobrepor as patentes sem embasamento de outros países, e que ainda existe muito a ser descoberto.

Além disso, Manchester não vai se limitar ao Instituto Nacional do Grafeno. Antes mesmo da inauguração do NGI, a cidade já tem outro centro no papel. Baker me mostrou com orgulho a pequena maquete da obra de £60 milhões do Centro de Inovação de Engenharia de Grafeno, ou GEIC, pronunciado afetuosamente como "geek".

Esse novo centro também será parcialmente financiado pelo governo; a outra metade virá da Masdar, uma empresa de energia renovável localizada em Abu Dhabi. O centro parece mais com uma fábrica do que com os laboratórios da sede do NGI: enquanto o NGI irá trabalhar com pequenas quantidades de grafeno, o GEIC irá aumentar essa escala para quilogramas e toneladas. Depois disso, será a vez do sonho de Manchester: a Cidade do Grafeno. Eles já até patentearam o nome.

O retorno das empresas que investem no grafeno ainda não é certo, e, com a tamanha popularidade do "material milagroso", é fácil se iludir.

Baker admite que há uma chance de que o grafeno não cumpra tudo o que os cientistas prometeram — "mas eu acho que essa chance é muito baixa". Em outro cenário, o grafeno mudaria vários setores radicalmente. Se incorporado em algum material de construção, por exemplo, ele diminuiria seu peso entre 1% a 5% — ou até em 20%. Isso parece pouco, mas Baker, que têm formação na área de engenharia aeroespacial, usou um caça A380 como exemplo; nesse caso, uma economia simplória no peso poderia fazer muita diferença.

Mas a parte mais empolgante é a possibilidade de ir além dessas pequenas melhorias e usufruir de todas as propriedades do grafeno. Além de tornar um caça mais resistente e leve, Baker aponta para a grande condutividade do material. Os aviões costumam ter uma camada de malha de cobre para dispersar o calor de eventuais descargas elétricas em seus cascos — mas e se o grafeno tornasse essa malha inútil? Pensando ainda mais alto, e se for possível usar essa propriedade para substituir um sistema de descongelamento? Ou para disfarçar o calor emitido por caças militares?

"Teríamos uma propriedade multifuncional, que mudaria a forma de desenvolver e construir aviões", disse Baker.

"Se conseguirmos dominar essas propriedade, que chamo de 'disruptiva', o grafeno terá um grande impacto."

Tradução: Ananda Pieratti​