Nesse sentido, o grafeno foi definido como um hidrocarboneto aromático policíclico infinitamente alternado de anéis de apenas seis átomos de carbono. A maior molécula deste tipo contém 222 átomos de carbono ou 37 "unidades de benzeno" separadas.[5]​.

Os números da frase anterior são aqueles contidos no resumo da citação. Deve ser: 111 átomos de carbono e 111 átomos de hidrogênio ou, mais simplesmente, 222 átomos, o que resulta de 37 × 6 (átomos de carbono - ou hidrogênio - de benzeno, fórmula CH) = 222, ou: 18,5 anéis de benzeno: 18,5 x 12 (átomos de benzeno) = 222.

A opção “unidades” foi obter um número redondo (37), evitando assim a expressão fracionária (18,5).

A ilustração anterior, relativa à estrutura molecular de dois mesômeros "Ressonância (química)") do benzeno, permite uma melhor compreensão do que foi afirmado anteriormente.

Grafeno como hidrocarboneto aromático policíclico:

O grafeno pode ser descrito como um hidrocarboneto aromático policíclico, composto por anéis de benzeno (C₆H₆) em uma estrutura estendida. Neste caso, o grafeno pode ser visto como uma rede bidimensional infinitamente alternada de anéis de seis átomos de carbono (o mesmo número de átomos do benzeno).

Cálculo e fórmula de 222 átomos:

A fórmula que você menciona —37 × 6 (átomos de carbono do benzeno) = 222— é uma aproximação que busca ilustrar que o grafeno pode ser considerado como uma estrutura formada por diversas unidades de benzeno conectadas em rede. Este tipo de aproximação é usado para descrever um fragmento de grafeno, e não toda a estrutura infinita do material.

A fórmula dos 222 átomos: Quando você diz que o grafeno tem 111 átomos de carbono e 111 átomos de hidrogênio, isso implica que você está considerando o grafeno com hidrogênio em sua superfície, o que é uma descrição válida se estivermos falando de grafeno hidrogenado (um material derivado do grafeno, mas com hidrogênio adicionado em suas bordas). Porém, se estamos falando de grafeno puro em sua forma mais básica, não deveria haver hidrogênio na fórmula, já que no grafeno os átomos de carbono estão apenas ligados entre si.

Cálculo de átomos de carbono e hidrogênio em "unidades de benzeno":

A referência a 37 unidades de benzeno e o cálculo de 222 átomos (37 × 6) é simplesmente uma forma de visualizar que o grafeno poderia ser composto por unidades repetidas de anéis de benzeno. A menção de 18,5 anéis de benzeno multiplicados por 12 (o número de átomos em cada anel de benzeno) também é usada para ilustrar a ideia de que cada anel de benzeno possui 6 átomos de carbono e, no total, 222 átomos de carbono formariam um fragmento de grafeno.

O que há de errado:

Unidades de benzeno no grafeno: Embora o grafeno compartilhe a estrutura hexagonal com o benzeno, ele não pode ser considerado como unidades de benzeno estritamente repetidas. O grafeno é um material contínuo, não uma molécula discreta composta de unidades repetidas.

O número de átomos de hidrogênio: Se o grafeno puro for descrito, o hidrogênio não deve ser incluído na fórmula, uma vez que o grafeno tem uma estrutura sem átomos de hidrogênio em sua rede (embora possam existir átomos de hidrogênio nas bordas do grafeno em certos compostos modificados).

Conclusão:

O grafeno pode ser conceituado como uma rede contínua de anéis de benzeno (C₆H₆) em um arranjo infinito, mas a descrição de 37 unidades de benzeno e a fórmula com 222 átomos é uma aproximação que descreve um fragmento de grafeno ou um grafeno modificado (com hidrogênio, por exemplo). A fórmula 111 átomos de carbono e 111 átomos de hidrogênio poderia ser válida no caso do grafeno hidrogenado.

O importante é entender que o grafeno é uma estrutura bidimensional infinita de carbono que não é representada como uma molécula discreta, mas como uma rede estendida.

O grafeno é um dos materiais mais duros e resistentes disponíveis, excede até a dureza do diamante e é duzentas vezes mais resistente que o aço. É altamente rígido, na verdade possui módulo de Young de 1 TPa. Portanto, suporta grandes forças sem deformar-se. É um material leve com densidade de apenas 0,77 miligramas por metro quadrado (densidade indicada em unidades de superfície devido à sua estrutura laminar). Vale ressaltar também que suporta altas forças de flexão, ou seja, pode ser dobrado sem quebrar.

Para se ter uma ideia da capacidade dessas propriedades mecânicas, o ganhador do Prêmio Nobel fez uma comparação com uma rede de grafeno com superfície de um metro quadrado e espessura de um único átomo. Esta rede de grafeno pode suportar até 4kg antes de quebrar (equivalente ao peso de um gato). No total, essa rede pesaria o mesmo que um dos pelos do bigode do gato, menos de um miligrama.

Grafeno reforçado

Esta forma de grafeno apresenta hastes de reforço de nanotubos de carbono (ou "hastes") incorporadas e é mais fácil de manipular, ao mesmo tempo que melhora as qualidades elétricas e mecânicas de ambos os materiais.

Nanotubos de carbono funcionalizados de parede única e múltipla são revestidos por rotação em folhas de cobre e depois aquecidos e resfriados, usando os próprios nanotubos como fonte de carbono. Após o aquecimento, os grupos funcionais de carbono se decompõem em grafeno, enquanto os nanotubos se dividem parcialmente e formam ligações covalentes no plano com o grafeno, aumentando a resistência. Os domínios de empilhamento π –π adicionam mais força. Os nanotubos podem ser colocados em camadas, tornando o material um condutor melhor do que o grafeno padrão cultivado em CVD. Os nanotubos superam efetivamente os limites dos grãos encontrados no grafeno convencional. A técnica elimina vestígios de substrato sobre os quais as folhas separadas foram posteriormente depositadas por epitaxia.

Pilhas de camada única foram propostas como um substituto econômico e fisicamente flexível para o óxido de índio e estanho (ITO) usado em displays e células fotovoltaicas.

Grafeno moldado

Em 2015, pesquisadores da Universidade de Illinois (UIUC) desenvolveram uma nova abordagem para gerar formas 3D a partir de folhas planas de grafeno 2D. Uma película de grafeno que foi embebida em solvente para inchar e se tornar maleável foi sobreposta a um substrato “formador” subjacente. O solvente evaporou com o tempo, deixando uma camada de grafeno que assumiu a forma da estrutura subjacente. Dessa forma, eles foram capazes de produzir uma variedade de formas microestruturadas relativamente complexas. Os recursos variam de 3,5 a 50 μm. O grafeno puro e o grafeno decorado com ouro foram integrados com sucesso ao substrato [12].

Aerogel de grafeno

É um aerogel feito de camadas de grafeno separadas por nanotubos de carbono que mede 0,16 miligramas por centímetro cúbico. Uma solução de grafeno e nanotubos de carbono é liofilizada em um molde para desidratar a solução, deixando o aerogel. O material tem elasticidade e absorção superiores. Ele pode se recuperar totalmente após mais de 90% de compressão e absorver até 900 vezes seu peso em óleo, a uma velocidade de 68,8 gramas por segundo.[13]​.

Contenido

El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un material nuevo. En realidad se conoce y ha sido descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante los años 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez (en 1949) la estructura electrónica de bandas.[14]​ Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo esta premisa se entiende la revolución que significó que Gueim y Novosiólov consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta —en el campo de la ciencia de superficies— «monocapa de grafito».

Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha descrito como «hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas».[15]​ De hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de las inherentes al grafeno.[16]​[17]​ Se ha descrito también la preparación de nanotiras") de grafeno mediante nanolitografía, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.[18]​.

Grafeno superrejilla.

El grafeno apilado periódicamente y su isomorfo aislante proporcionan un elemento estructural fascinante en la implementación de superredes altamente funcionales a escala atómica, lo que ofrece posibilidades en el diseño de dispositivos nanoelectrónicos y fotónicos. Se pueden obtener varios tipos de superredes apilando grafeno y sus formas relacionadas.[19]​ La banda de energía en las superredes apiladas en capas es más sensible al ancho de la barrera que en las superredes de semiconductores III-V convencionales. Cuando se agrega más de una capa atómica a la barrera en cada período, el acoplamiento de las funciones de onda electrónicas en los pozos potenciales vecinos se puede reducir significativamente, lo que conduce a la degeneración de subbandas continuas en niveles de energía cuantificados. Al variar el ancho del pozo, los niveles de energía en los pozos potenciales a lo largo de la dirección L-M se comportan de manera distinta a los de la dirección K-H.

Una superrejilla corresponde a una disposición periódica o cuasiperiódica de diferentes materiales, y puede ser descrita por un período de superrejilla que confiere una nueva simetría de traslación al sistema, impactando sus dispersiones fonónicas y posteriormente sus propiedades de transporte térmico. Recientemente, se han sintetizado con éxito estructuras uniformes de grafeno-hBN monocapa mediante patrones de litografía junto con deposición química de vapor (CVD).[20]​ Además, las superredes de grafeno-hBN son sistemas de modelos ideales para la realización y comprensión del transporte térmico de fonones coherente (en forma de onda) e incoherente (en forma de partículas).[21]​[22]​.

Utilização

Este trabalho apresenta um estudo sobre as propriedades catalíticas de folhas de grafeno dopadas (dopagem: átomos necessários para criar uma diferença nas capacidades condutoras de um semicondutor) com metais de transição (Fe, Co, Ni), para analisar a energia de absorção "Absorção (química)") de oxigênio molecular na folha de grafeno. Sistemas dopados com Níquel resultam em uma barreira energética mais baixa contra a dissociação do oxigênio, e pode-se determinar que o grafeno dopado com este metal poderia ser considerado como um possível catalisador catódico (responsável por controlar as emissões dos tubos de escape, reduzindo sua toxicidade.) da reação de redução de oxigênio.[23]​.

Este trabalho de pesquisa busca melhorar as propriedades de misturas poliméricas de PLA e fécula de mandioca, agregando a estas nanoplacas de grafeno, para a criação de filmes. Foram desenvolvidos por sistema descontínuo com misturador e por extrusão (operação de transformação em que um material fundido é forçado através de um bico para produzir um artigo). A incorporação do grafeno na mistura resultou em um material com melhores propriedades mecânicas e diminuição da permeabilidade ao oxigênio em relação aos anteriores. Os filmes desenvolvidos com Grafeno demonstraram comportamento adequado do ponto de vista de suas propriedades e do seu grau de biodegradabilidade (processo pelo qual uma substância ou material**,** pode ser decomposto por organismos vivos), demonstrando que podem ser uma opção aos materiais derivados de petróleo que estão atualmente no mercado. Aplicação como substituto dos atuais materiais derivados do petróleo.[24]​.

Alguns trabalhos sobre este assunto na Argentina. No Instituto de Pesquisas Físico-Químicas Teóricas e Aplicadas (INIFTA, CONICET-UNLP), existe um dos poucos grupos do país que se dedica, entre outros estudos, à obtenção de grafeno.

No Instituto de Física “Enrique Gaviola” (IFEG, CONICET_Universidad Nacional de Córdoba) outro grupo está focado no estudo de propriedades elétricas e de transporte.

No Instituto de Energia e Desenvolvimento Sustentável do CNEA e no Instituto Balseiro estudam-se as propriedades eletrónicas e de transporte dos eletrões no Grafeno, bem como os efeitos que os campos eletromagnéticos têm sobre o mesmo.

Na Faculdade de Matemática, Astronomia e Física da Universidade Nacional de Córdoba, pesquisadores concluíram por meio de cálculos que o feixe de um laser infravermelho interromperia a condutividade elétrica do material, que poderia então se tornar isolante. Se verificada experimentalmente, a descoberta teria um grande impacto tecnológico, pois até agora a sua incrível condutividade era também o seu principal ponto fraco, devido à impossibilidade de “pará-la” ou interrompê-la. Isso permitiria que você “ligasse e desligasse” sua direção.

O Centro INTI de Física e Metrologia trabalha em colaboração com o Instituto Nacional de Metrologia dos Estados Unidos (NIST), com o objetivo de ganhar experiência na fabricação de amostras de grafeno, que serão caracterizadas na Argentina para determinar sua possível aplicação em metrologia.[25]​.

Las propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. Está dotado de alta movilidad de portadores, así como de bajo nivel de «ruido». Ello permite que se le utilice como canal en transistores de efecto campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material en el sustrato adecuado. Investigadores están indagando métodos tales como transferencia de hojas de grafeno desde grafito (exfoliación "Exfoliación (mineralogía)")) o crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio: SiC).

En diciembre de 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores que operaban a frecuencias de 26 gigahercios (GHz).[28]​ En febrero de 2010, la misma empresa anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzó los 100 GHz.[29]​ En septiembre de 2010 se alcanzaron los 300 GHz.[30]​.

Las publicaciones especializadas rebosan de artículos en los que se atribuye a esta estructura de carbono cualidad de «panacea universal» en la tecnología para reemplazo de dispositivos de silicio por grafeno. Pero no toda la comunidad científica comparte este optimismo. El célebre físico holandés Walter de Heer") afirma:.

Además, el grafeno carece de una banda de resistividad, propiedad esencial que le es inherente al silicio. Eso implica que el grafeno no puede dejar de conducir electricidad: no se puede apagar.

Cabos de alta velocidade

Pesquisadores da Universidade de Cambridge tornaram o grafeno capaz de capturar uma grande quantidade de luz, que pode ser usada na criação de cabos de fibra óptica muito rápidos e que se beneficiam de outra propriedade do material: os elétrons se movem rapidamente nele.

Assim, prometem-se cabos de grafeno que poderão transportar informação centenas de vezes mais rápido do que um actual, que poderá ser implementado na área das telecomunicações para a instalação de redes mais rápidas, aumentando assim a capacidade e velocidade da Internet, da telefonia móvel e, em última análise, de todas as comunicações que ocorrem no nosso planeta.

Super baterias elétricas

Talvez uma das descobertas mais emocionantes esteja relacionada ao campo dos acumuladores elétricos, onde hoje a tecnologia permite dispositivos que funcionam por algumas horas até necessitarem de uma carga elétrica que pode durar várias horas, degradando a experiência do usuário em celulares, tablets e laptops.

Telas sensíveis ao toque flexíveis

Conseguindo conduzir muito bem os elétrons quase sem aquecer no processo, pesquisadores da Universidade do Texas e da Universidade da Coreia do Sul descobriram que uma folha de grafeno pode ser utilizada no desenvolvimento de telas sensíveis ao toque, aproveitando o fato de que uma folha de grafeno pode ser totalmente transparente, ideal para ser colocada sobre um painel de pixels sem reduzir o brilho de sua retroiluminação.

Além disso, aquela fina folha de grafeno sensível à condução elétrica e que captaria os nossos toques pode ser muito flexível, contribuindo para o que poderão ser futuros ecrãs tácteis flexíveis, que poderão muito bem ser acompanhados por tecnologia OLED flexível para o desenvolvimento deste tipo de tecnologia.

Fones de ouvido e alto-falantes de qualidade profissional

Qin Zhou e Alex Zettl são dois cientistas da Universidade da Califórnia que querem revolucionar o mercado de áudio graças aos seus fones de ouvido e alto-falantes de grafeno. A ideia é criar um diafragma feito de grafeno que é colocado no meio de dois eletrodos, após o qual o grafeno vibra e produz som.

Segundo os pesquisadores, sem muito trabalho adicional para “ajustar” os fones de ouvido e dar-lhes um tratamento especial, eles conseguiram um som equivalente aos produtos de alta qualidade atuais. E como o diafragma de grafeno usa uma folha muito fina, o tamanho e o peso do produto também podem ser muito pequenos, portanto, podem ser criados fones de ouvido de alta qualidade que são ao mesmo tempo muito pequenos e leves.

Câmeras com maior sensibilidade

Uma câmera atual é basicamente composta por uma lente pela qual a luz passa e depois chega a um sensor, captando-a e transformando-a em informação digital. O que pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, conseguiram fazer foi criar um sensor feito de grafeno, aumentando a sensibilidade do dispositivo cerca de mil vezes em relação às atuais tecnologias CMOS ou CCD.

Estamos falando de uma importante melhoria nos sensores para câmeras profissionais e compactas, que poderá permitir melhores capturas em condições de pouca luz e em geral para qualquer ocasião. Além disso, estes novos sensores de grafeno poderiam consumir dez vezes menos energia e ser cinco vezes mais baratos de produzir em massa do que os convencionais.

Uma equipe de cientistas da Universidade de Manchester mostrou que o óxido de grafeno, uma forma modificada de grafeno, se comporta como um agente antineoplásico que atua diretamente nas células cancerígenas. Graças a isso, o grafeno poderia ser usado para reduzir o tamanho de tumores malignos e prevenir a propagação do câncer. Esta descoberta continua a ser objeto de estudo.[32]​.

Tal constatação é muito importante, uma vez que o tratamento atual do câncer consiste na eliminação de células da área afetada, tanto cancerosas quanto não cancerosas. Com a ajuda do grafeno, apenas as células cancerosas puderam ser eliminadas, reduzindo assim o número de efeitos colaterais no paciente.[33]​.

O uso de uma folha de grafeno com poros de 1,8 nm para substituir as membranas no processo de osmose reversa para dessalinização de água está em fase de pesquisa. Seus buracos são tão pequenos que as moléculas de água podem passar, mas não o sal.

De acordo com a investigação actual, seriam obtidas eficiências muito mais elevadas do que com as membranas actuais e haveria requisitos de energia mais baixos. No estado atual, a desvantagem é o custo das membranas de grafeno, mas espera-se que no futuro esses custos possam ser reduzidos.[34]​.

O principal problema que impede a exploração do grafeno é que a produção em grandes quantidades é limitada. As diferentes técnicas tradicionais de fabricação em ordem crescente de escalabilidade são:

A qualidade das amostras vai na direção oposta à da escalabilidade: quanto mais escalável o processo, menor será a qualidade das amostras. Porém, é possível sintetizar maior quantidade de nanoplacas de grafeno pela técnica de moagem mecânica de grafite com apreciável qualidade comercial.[35]​.

Recentemente, pesquisadores da Rice University conseguiram sintetizar grafeno a partir de açúcar comum a 800 °C, sendo o grafeno resultante de alta qualidade. Outra nova técnica vem do IPCPAS-Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências, em conjunto com o IRI-Instituto de Pesquisa Interdisciplinar de Lille. A técnica de fabricação utilizada foi a oxidação do grafite, obtendo-se um pó denominado óxido de grafite. Em seguida, é suspenso em água e colocado em um limpador ultrassônico. A ultrassonografia separa as folhas de grafeno oxidadas e permite a produção de flocos de grafeno com 300 nm de espessura.

Em 2011, o telescópio espacial Spitzer da NASA descobriu grafeno no espaço, bem como outras moléculas da família do fulereno, especificamente as moléculas C60 e C70.[36]​.

A exposição a nanotubos de carbono (grafeno) reproduz em ratos de laboratório os sintomas causados ​​pelo amianto, desde inflamação crônica, perda de vias supressoras de tumor, até o desenvolvimento eventual e esporádico de mesotelioma maligno.[37]​ A exposição em humanos representa, portanto, um alto risco para a saúde.[38]​.

Em 2018, o físico experimental Pablo Jarillo-Herrero revolucionou o campo da física da matéria condensada ao girar com sucesso duas camadas monoatômicas de grafeno sobrepostas. O grupo de Pablo descobriu que, ao girar essas camadas em um ângulo “mágico” de cerca de 1,1 graus, a bicamada de grafeno exibia um comportamento supercondutor. Esta descoberta abriu as portas para muitos grupos experimentais e teóricos explorarem o sistema e reproduzirem os resultados. Este sistema tem despertado grande interesse na comunidade devido à riqueza do seu diagrama de fases e à nova física que pode hospedar. Representa um ponto comum entre diversas áreas da física ao reunir físicos que estudam supercondutores de alta temperatura, grupos de topologia e grupos de correlação eletrônica forte. Recentemente, foi descoberta a presença de supercondutividade em 3 camadas sobrepostas de grafeno nas quais as inferiores e superiores estão alinhadas e a do meio girada cerca de 1,5 graus.

Nesse sentido, o grafeno foi definido como um hidrocarboneto aromático policíclico infinitamente alternado de anéis de apenas seis átomos de carbono. A maior molécula deste tipo contém 222 átomos de carbono ou 37 "unidades de benzeno" separadas.[5]​.

Os números da frase anterior são aqueles contidos no resumo da citação. Deve ser: 111 átomos de carbono e 111 átomos de hidrogênio ou, mais simplesmente, 222 átomos, o que resulta de 37 × 6 (átomos de carbono - ou hidrogênio - de benzeno, fórmula CH) = 222, ou: 18,5 anéis de benzeno: 18,5 x 12 (átomos de benzeno) = 222.

A opção “unidades” foi obter um número redondo (37), evitando assim a expressão fracionária (18,5).

A ilustração anterior, relativa à estrutura molecular de dois mesômeros "Ressonância (química)") do benzeno, permite uma melhor compreensão do que foi afirmado anteriormente.

Grafeno como hidrocarboneto aromático policíclico:

O grafeno pode ser descrito como um hidrocarboneto aromático policíclico, composto por anéis de benzeno (C₆H₆) em uma estrutura estendida. Neste caso, o grafeno pode ser visto como uma rede bidimensional infinitamente alternada de anéis de seis átomos de carbono (o mesmo número de átomos do benzeno).

Cálculo e fórmula de 222 átomos:

A fórmula que você menciona —37 × 6 (átomos de carbono do benzeno) = 222— é uma aproximação que busca ilustrar que o grafeno pode ser considerado como uma estrutura formada por diversas unidades de benzeno conectadas em rede. Este tipo de aproximação é usado para descrever um fragmento de grafeno, e não toda a estrutura infinita do material.

A fórmula dos 222 átomos: Quando você diz que o grafeno tem 111 átomos de carbono e 111 átomos de hidrogênio, isso implica que você está considerando o grafeno com hidrogênio em sua superfície, o que é uma descrição válida se estivermos falando de grafeno hidrogenado (um material derivado do grafeno, mas com hidrogênio adicionado em suas bordas). Porém, se estamos falando de grafeno puro em sua forma mais básica, não deveria haver hidrogênio na fórmula, já que no grafeno os átomos de carbono estão apenas ligados entre si.

Cálculo de átomos de carbono e hidrogênio em "unidades de benzeno":

A referência a 37 unidades de benzeno e o cálculo de 222 átomos (37 × 6) é simplesmente uma forma de visualizar que o grafeno poderia ser composto por unidades repetidas de anéis de benzeno. A menção de 18,5 anéis de benzeno multiplicados por 12 (o número de átomos em cada anel de benzeno) também é usada para ilustrar a ideia de que cada anel de benzeno possui 6 átomos de carbono e, no total, 222 átomos de carbono formariam um fragmento de grafeno.

O que há de errado:

Unidades de benzeno no grafeno: Embora o grafeno compartilhe a estrutura hexagonal com o benzeno, ele não pode ser considerado como unidades de benzeno estritamente repetidas. O grafeno é um material contínuo, não uma molécula discreta composta de unidades repetidas.

O número de átomos de hidrogênio: Se o grafeno puro for descrito, o hidrogênio não deve ser incluído na fórmula, uma vez que o grafeno tem uma estrutura sem átomos de hidrogênio em sua rede (embora possam existir átomos de hidrogênio nas bordas do grafeno em certos compostos modificados).

Conclusão:

O grafeno pode ser conceituado como uma rede contínua de anéis de benzeno (C₆H₆) em um arranjo infinito, mas a descrição de 37 unidades de benzeno e a fórmula com 222 átomos é uma aproximação que descreve um fragmento de grafeno ou um grafeno modificado (com hidrogênio, por exemplo). A fórmula 111 átomos de carbono e 111 átomos de hidrogênio poderia ser válida no caso do grafeno hidrogenado.

O importante é entender que o grafeno é uma estrutura bidimensional infinita de carbono que não é representada como uma molécula discreta, mas como uma rede estendida.

O grafeno é um dos materiais mais duros e resistentes disponíveis, excede até a dureza do diamante e é duzentas vezes mais resistente que o aço. É altamente rígido, na verdade possui módulo de Young de 1 TPa. Portanto, suporta grandes forças sem deformar-se. É um material leve com densidade de apenas 0,77 miligramas por metro quadrado (densidade indicada em unidades de superfície devido à sua estrutura laminar). Vale ressaltar também que suporta altas forças de flexão, ou seja, pode ser dobrado sem quebrar.

Para se ter uma ideia da capacidade dessas propriedades mecânicas, o ganhador do Prêmio Nobel fez uma comparação com uma rede de grafeno com superfície de um metro quadrado e espessura de um único átomo. Esta rede de grafeno pode suportar até 4kg antes de quebrar (equivalente ao peso de um gato). No total, essa rede pesaria o mesmo que um dos pelos do bigode do gato, menos de um miligrama.

Grafeno reforçado

Esta forma de grafeno apresenta hastes de reforço de nanotubos de carbono (ou "hastes") incorporadas e é mais fácil de manipular, ao mesmo tempo que melhora as qualidades elétricas e mecânicas de ambos os materiais.

Nanotubos de carbono funcionalizados de parede única e múltipla são revestidos por rotação em folhas de cobre e depois aquecidos e resfriados, usando os próprios nanotubos como fonte de carbono. Após o aquecimento, os grupos funcionais de carbono se decompõem em grafeno, enquanto os nanotubos se dividem parcialmente e formam ligações covalentes no plano com o grafeno, aumentando a resistência. Os domínios de empilhamento π –π adicionam mais força. Os nanotubos podem ser colocados em camadas, tornando o material um condutor melhor do que o grafeno padrão cultivado em CVD. Os nanotubos superam efetivamente os limites dos grãos encontrados no grafeno convencional. A técnica elimina vestígios de substrato sobre os quais as folhas separadas foram posteriormente depositadas por epitaxia.

Pilhas de camada única foram propostas como um substituto econômico e fisicamente flexível para o óxido de índio e estanho (ITO) usado em displays e células fotovoltaicas.

Grafeno moldado

Em 2015, pesquisadores da Universidade de Illinois (UIUC) desenvolveram uma nova abordagem para gerar formas 3D a partir de folhas planas de grafeno 2D. Uma película de grafeno que foi embebida em solvente para inchar e se tornar maleável foi sobreposta a um substrato “formador” subjacente. O solvente evaporou com o tempo, deixando uma camada de grafeno que assumiu a forma da estrutura subjacente. Dessa forma, eles foram capazes de produzir uma variedade de formas microestruturadas relativamente complexas. Os recursos variam de 3,5 a 50 μm. O grafeno puro e o grafeno decorado com ouro foram integrados com sucesso ao substrato [12].

Aerogel de grafeno

É um aerogel feito de camadas de grafeno separadas por nanotubos de carbono que mede 0,16 miligramas por centímetro cúbico. Uma solução de grafeno e nanotubos de carbono é liofilizada em um molde para desidratar a solução, deixando o aerogel. O material tem elasticidade e absorção superiores. Ele pode se recuperar totalmente após mais de 90% de compressão e absorver até 900 vezes seu peso em óleo, a uma velocidade de 68,8 gramas por segundo.[13]​.

Contenido

El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un material nuevo. En realidad se conoce y ha sido descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante los años 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez (en 1949) la estructura electrónica de bandas.[14]​ Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo esta premisa se entiende la revolución que significó que Gueim y Novosiólov consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta —en el campo de la ciencia de superficies— «monocapa de grafito».

Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha descrito como «hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas».[15]​ De hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de las inherentes al grafeno.[16]​[17]​ Se ha descrito también la preparación de nanotiras") de grafeno mediante nanolitografía, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.[18]​.

Grafeno superrejilla.

El grafeno apilado periódicamente y su isomorfo aislante proporcionan un elemento estructural fascinante en la implementación de superredes altamente funcionales a escala atómica, lo que ofrece posibilidades en el diseño de dispositivos nanoelectrónicos y fotónicos. Se pueden obtener varios tipos de superredes apilando grafeno y sus formas relacionadas.[19]​ La banda de energía en las superredes apiladas en capas es más sensible al ancho de la barrera que en las superredes de semiconductores III-V convencionales. Cuando se agrega más de una capa atómica a la barrera en cada período, el acoplamiento de las funciones de onda electrónicas en los pozos potenciales vecinos se puede reducir significativamente, lo que conduce a la degeneración de subbandas continuas en niveles de energía cuantificados. Al variar el ancho del pozo, los niveles de energía en los pozos potenciales a lo largo de la dirección L-M se comportan de manera distinta a los de la dirección K-H.

Una superrejilla corresponde a una disposición periódica o cuasiperiódica de diferentes materiales, y puede ser descrita por un período de superrejilla que confiere una nueva simetría de traslación al sistema, impactando sus dispersiones fonónicas y posteriormente sus propiedades de transporte térmico. Recientemente, se han sintetizado con éxito estructuras uniformes de grafeno-hBN monocapa mediante patrones de litografía junto con deposición química de vapor (CVD).[20]​ Además, las superredes de grafeno-hBN son sistemas de modelos ideales para la realización y comprensión del transporte térmico de fonones coherente (en forma de onda) e incoherente (en forma de partículas).[21]​[22]​.

Utilização

Este trabalho apresenta um estudo sobre as propriedades catalíticas de folhas de grafeno dopadas (dopagem: átomos necessários para criar uma diferença nas capacidades condutoras de um semicondutor) com metais de transição (Fe, Co, Ni), para analisar a energia de absorção "Absorção (química)") de oxigênio molecular na folha de grafeno. Sistemas dopados com Níquel resultam em uma barreira energética mais baixa contra a dissociação do oxigênio, e pode-se determinar que o grafeno dopado com este metal poderia ser considerado como um possível catalisador catódico (responsável por controlar as emissões dos tubos de escape, reduzindo sua toxicidade.) da reação de redução de oxigênio.[23]​.

Este trabalho de pesquisa busca melhorar as propriedades de misturas poliméricas de PLA e fécula de mandioca, agregando a estas nanoplacas de grafeno, para a criação de filmes. Foram desenvolvidos por sistema descontínuo com misturador e por extrusão (operação de transformação em que um material fundido é forçado através de um bico para produzir um artigo). A incorporação do grafeno na mistura resultou em um material com melhores propriedades mecânicas e diminuição da permeabilidade ao oxigênio em relação aos anteriores. Os filmes desenvolvidos com Grafeno demonstraram comportamento adequado do ponto de vista de suas propriedades e do seu grau de biodegradabilidade (processo pelo qual uma substância ou material**,** pode ser decomposto por organismos vivos), demonstrando que podem ser uma opção aos materiais derivados de petróleo que estão atualmente no mercado. Aplicação como substituto dos atuais materiais derivados do petróleo.[24]​.

Alguns trabalhos sobre este assunto na Argentina. No Instituto de Pesquisas Físico-Químicas Teóricas e Aplicadas (INIFTA, CONICET-UNLP), existe um dos poucos grupos do país que se dedica, entre outros estudos, à obtenção de grafeno.

No Instituto de Física “Enrique Gaviola” (IFEG, CONICET_Universidad Nacional de Córdoba) outro grupo está focado no estudo de propriedades elétricas e de transporte.

No Instituto de Energia e Desenvolvimento Sustentável do CNEA e no Instituto Balseiro estudam-se as propriedades eletrónicas e de transporte dos eletrões no Grafeno, bem como os efeitos que os campos eletromagnéticos têm sobre o mesmo.

Na Faculdade de Matemática, Astronomia e Física da Universidade Nacional de Córdoba, pesquisadores concluíram por meio de cálculos que o feixe de um laser infravermelho interromperia a condutividade elétrica do material, que poderia então se tornar isolante. Se verificada experimentalmente, a descoberta teria um grande impacto tecnológico, pois até agora a sua incrível condutividade era também o seu principal ponto fraco, devido à impossibilidade de “pará-la” ou interrompê-la. Isso permitiria que você “ligasse e desligasse” sua direção.

O Centro INTI de Física e Metrologia trabalha em colaboração com o Instituto Nacional de Metrologia dos Estados Unidos (NIST), com o objetivo de ganhar experiência na fabricação de amostras de grafeno, que serão caracterizadas na Argentina para determinar sua possível aplicação em metrologia.[25]​.

Las propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. Está dotado de alta movilidad de portadores, así como de bajo nivel de «ruido». Ello permite que se le utilice como canal en transistores de efecto campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material en el sustrato adecuado. Investigadores están indagando métodos tales como transferencia de hojas de grafeno desde grafito (exfoliación "Exfoliación (mineralogía)")) o crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio: SiC).

En diciembre de 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores que operaban a frecuencias de 26 gigahercios (GHz).[28]​ En febrero de 2010, la misma empresa anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzó los 100 GHz.[29]​ En septiembre de 2010 se alcanzaron los 300 GHz.[30]​.

Las publicaciones especializadas rebosan de artículos en los que se atribuye a esta estructura de carbono cualidad de «panacea universal» en la tecnología para reemplazo de dispositivos de silicio por grafeno. Pero no toda la comunidad científica comparte este optimismo. El célebre físico holandés Walter de Heer") afirma:.

Además, el grafeno carece de una banda de resistividad, propiedad esencial que le es inherente al silicio. Eso implica que el grafeno no puede dejar de conducir electricidad: no se puede apagar.

Cabos de alta velocidade

Pesquisadores da Universidade de Cambridge tornaram o grafeno capaz de capturar uma grande quantidade de luz, que pode ser usada na criação de cabos de fibra óptica muito rápidos e que se beneficiam de outra propriedade do material: os elétrons se movem rapidamente nele.

Assim, prometem-se cabos de grafeno que poderão transportar informação centenas de vezes mais rápido do que um actual, que poderá ser implementado na área das telecomunicações para a instalação de redes mais rápidas, aumentando assim a capacidade e velocidade da Internet, da telefonia móvel e, em última análise, de todas as comunicações que ocorrem no nosso planeta.

Super baterias elétricas

Talvez uma das descobertas mais emocionantes esteja relacionada ao campo dos acumuladores elétricos, onde hoje a tecnologia permite dispositivos que funcionam por algumas horas até necessitarem de uma carga elétrica que pode durar várias horas, degradando a experiência do usuário em celulares, tablets e laptops.

Telas sensíveis ao toque flexíveis

Conseguindo conduzir muito bem os elétrons quase sem aquecer no processo, pesquisadores da Universidade do Texas e da Universidade da Coreia do Sul descobriram que uma folha de grafeno pode ser utilizada no desenvolvimento de telas sensíveis ao toque, aproveitando o fato de que uma folha de grafeno pode ser totalmente transparente, ideal para ser colocada sobre um painel de pixels sem reduzir o brilho de sua retroiluminação.

Além disso, aquela fina folha de grafeno sensível à condução elétrica e que captaria os nossos toques pode ser muito flexível, contribuindo para o que poderão ser futuros ecrãs tácteis flexíveis, que poderão muito bem ser acompanhados por tecnologia OLED flexível para o desenvolvimento deste tipo de tecnologia.

Fones de ouvido e alto-falantes de qualidade profissional

Qin Zhou e Alex Zettl são dois cientistas da Universidade da Califórnia que querem revolucionar o mercado de áudio graças aos seus fones de ouvido e alto-falantes de grafeno. A ideia é criar um diafragma feito de grafeno que é colocado no meio de dois eletrodos, após o qual o grafeno vibra e produz som.

Segundo os pesquisadores, sem muito trabalho adicional para “ajustar” os fones de ouvido e dar-lhes um tratamento especial, eles conseguiram um som equivalente aos produtos de alta qualidade atuais. E como o diafragma de grafeno usa uma folha muito fina, o tamanho e o peso do produto também podem ser muito pequenos, portanto, podem ser criados fones de ouvido de alta qualidade que são ao mesmo tempo muito pequenos e leves.

Câmeras com maior sensibilidade

Uma câmera atual é basicamente composta por uma lente pela qual a luz passa e depois chega a um sensor, captando-a e transformando-a em informação digital. O que pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, conseguiram fazer foi criar um sensor feito de grafeno, aumentando a sensibilidade do dispositivo cerca de mil vezes em relação às atuais tecnologias CMOS ou CCD.

Estamos falando de uma importante melhoria nos sensores para câmeras profissionais e compactas, que poderá permitir melhores capturas em condições de pouca luz e em geral para qualquer ocasião. Além disso, estes novos sensores de grafeno poderiam consumir dez vezes menos energia e ser cinco vezes mais baratos de produzir em massa do que os convencionais.

Uma equipe de cientistas da Universidade de Manchester mostrou que o óxido de grafeno, uma forma modificada de grafeno, se comporta como um agente antineoplásico que atua diretamente nas células cancerígenas. Graças a isso, o grafeno poderia ser usado para reduzir o tamanho de tumores malignos e prevenir a propagação do câncer. Esta descoberta continua a ser objeto de estudo.[32]​.

Tal constatação é muito importante, uma vez que o tratamento atual do câncer consiste na eliminação de células da área afetada, tanto cancerosas quanto não cancerosas. Com a ajuda do grafeno, apenas as células cancerosas puderam ser eliminadas, reduzindo assim o número de efeitos colaterais no paciente.[33]​.

O uso de uma folha de grafeno com poros de 1,8 nm para substituir as membranas no processo de osmose reversa para dessalinização de água está em fase de pesquisa. Seus buracos são tão pequenos que as moléculas de água podem passar, mas não o sal.

De acordo com a investigação actual, seriam obtidas eficiências muito mais elevadas do que com as membranas actuais e haveria requisitos de energia mais baixos. No estado atual, a desvantagem é o custo das membranas de grafeno, mas espera-se que no futuro esses custos possam ser reduzidos.[34]​.

O principal problema que impede a exploração do grafeno é que a produção em grandes quantidades é limitada. As diferentes técnicas tradicionais de fabricação em ordem crescente de escalabilidade são:

A qualidade das amostras vai na direção oposta à da escalabilidade: quanto mais escalável o processo, menor será a qualidade das amostras. Porém, é possível sintetizar maior quantidade de nanoplacas de grafeno pela técnica de moagem mecânica de grafite com apreciável qualidade comercial.[35]​.

Recentemente, pesquisadores da Rice University conseguiram sintetizar grafeno a partir de açúcar comum a 800 °C, sendo o grafeno resultante de alta qualidade. Outra nova técnica vem do IPCPAS-Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências, em conjunto com o IRI-Instituto de Pesquisa Interdisciplinar de Lille. A técnica de fabricação utilizada foi a oxidação do grafite, obtendo-se um pó denominado óxido de grafite. Em seguida, é suspenso em água e colocado em um limpador ultrassônico. A ultrassonografia separa as folhas de grafeno oxidadas e permite a produção de flocos de grafeno com 300 nm de espessura.

Em 2011, o telescópio espacial Spitzer da NASA descobriu grafeno no espaço, bem como outras moléculas da família do fulereno, especificamente as moléculas C60 e C70.[36]​.

A exposição a nanotubos de carbono (grafeno) reproduz em ratos de laboratório os sintomas causados ​​pelo amianto, desde inflamação crônica, perda de vias supressoras de tumor, até o desenvolvimento eventual e esporádico de mesotelioma maligno.[37]​ A exposição em humanos representa, portanto, um alto risco para a saúde.[38]​.

Em 2018, o físico experimental Pablo Jarillo-Herrero revolucionou o campo da física da matéria condensada ao girar com sucesso duas camadas monoatômicas de grafeno sobrepostas. O grupo de Pablo descobriu que, ao girar essas camadas em um ângulo “mágico” de cerca de 1,1 graus, a bicamada de grafeno exibia um comportamento supercondutor. Esta descoberta abriu as portas para muitos grupos experimentais e teóricos explorarem o sistema e reproduzirem os resultados. Este sistema tem despertado grande interesse na comunidade devido à riqueza do seu diagrama de fases e à nova física que pode hospedar. Representa um ponto comum entre diversas áreas da física ao reunir físicos que estudam supercondutores de alta temperatura, grupos de topologia e grupos de correlação eletrônica forte. Recentemente, foi descoberta a presença de supercondutividade em 3 camadas sobrepostas de grafeno nas quais as inferiores e superiores estão alinhadas e a do meio girada cerca de 1,5 graus.