Pesquisadores buscam aplicações fotônicas do grafeno

Projeto visa promover a síntese, caracterização e utilização da "matéria-prima do século 21", que poderá ser empregada na fabricação de celulares a aviões. Em 2014, Brasil terá Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologia

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – O grafeno, que tem sido chamado de “a matéria-prima do século 21”, com enormes aplicações potenciais, já está no rol da pesquisa avançada em andamento no Brasil.

Um exemplo é o Projeto Temático “Grafeno: fotônica e optoeletrônica. Colaboração UPM-NUS”, apoiado pela FAPESP. O projeto, iniciado em abril de 2013 e com duração prevista até março de 2018, faz parte do Programa SPEC (São Paulo Excellence Chairs), que busca estabelecer colaborações entre instituições do Estado de São Paulo e pesquisadores de alto nível radicados no exterior. A colaboração, no caso, foi firmada entre a Universidade Presbiteriana Mackenzie (UPM) e o pesquisador Antonio Hélio de Castro Neto, coordenador do Temático.

Dividindo seu tempo entre as funções de diretor do Graphene Research Center da National University of Singapore (Cingapura) e professor de Física da Boston University (Estados Unidos), o brasileiro Castro Neto já esteve duas vezes em São Paulo neste ano para dar início aos trabalhos. E deverá continuar vindo regularmente durante toda a vigência do projeto.

O horizonte de aplicação da pesquisa está muito mais próximo do que as datas inicial e final do Projeto Temático sugerem, pois representantes de empresas classificadas entre as maiores do país têm se reunido com os pesquisadores visando estabelecer parcerias. E várias delas estarão representadas em um grande evento agendado para os dias 27 e 28 de maio em Cingapura – a Rede Brasil-Cingapura de Oportunidades em Tecnologia (RBCOT).

“Nosso projeto tem, resumidamente, três objetivos: realizar a síntese artificial do grafeno; caracterizar fisicamente o material produzido, tanto do ponto de vista estrutural quanto eletrônico; e, a partir dele, construir dispositivos optoeletrônicos, com aplicação em comunicações ópticas e outras”, disse Castro Neto à Agência FAPESP.

Para isso, o projeto contará com o Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologia (MackGrafe), em construção no campus Higienópolis da Universidade Presbiteriana Mackenzie, em São Paulo, com apoio financeiro da FAPESP dentro do Temático. Primeiro do gênero no Brasil, o Centro, que tem inauguração prevista para maio de 2014, disporá de equipamentos sofisticados espaçosamente distribuídos por uma área de 6.500 metros quadrados.

Além de produzir conhecimento científico, o MackGrafe terá como atribuição desenvolver produtos que gerem patentes, licenças e royalties à instituição na qual está sediado. “A aplicação mais imediata que temos em mente é a criação de moduladores de grafeno para uso em comunicação optoeletrônica”, afirmou Eunézio Antonio Thoroh de Souza, coordenador do MackGrafe e um dos pesquisadores principais do Temático.

Para entender esta e outras possibilidades de aplicação, é preciso saber algo sobre a estrutura do grafeno. Trata-se de uma lâmina quase bidimensional de átomos de carbono, organizados em uma rede de padrão hexagonal. Essa rede, cuja superfície pode, em princípio, estender-se indefinidamente, tem apenas um átomo de espessura. Sua surpreendente estabilidade decorre da forte ligação que os átomos de carbono estabelecem uns com os outros.

Cada átomo, que possui quatro elétrons na camada eletrônica externa, se liga a outros três átomos, ficando o quarto elétron relativamente solto sobre ou sob a superfície da rede. São esses elétrons frouxamente ligados – e por isso bastante móveis – que tornam o grafeno um excelente condutor de energia elétrica. Por outro lado, a espessura de apenas um átomo faz com que a lâmina seja transparente. A excelência optoeletrônica do material deve-se à conjugação das duas características: condutividade e transparência.

“Sendo transparente, o grafeno pode ser atravessado pela luz, que, ao passar, excita os elétrons livres na superfície da lâmina, gerando corrente elétrica. Então, ocorre a conversão praticamente imediata de energia luminosa em energia elétrica. Essa conversão é exatamente o que o modulador de frequência óptica faz”, explicou Castro Neto.

Castro Neto, considerado uma das maiores autoridades mundiais na área, trabalhou com o russo naturalizado holandês Andre Geim, ganhador do Prêmio Nobel de Física de 2010 por sua pesquisa sobre o grafeno. Juntos, assinaram três artigos científicos.

O método engenhoso utilizado em 2004 por Geim para obter pela primeira vez o material foi aplicar uma fita adesiva sobre uma placa de grafite e, com ela, retirar uma lâmina de grafeno, pois o grafite é formado exatamente pelo “empilhamento” dessas redes hexagonais de carbono. “Mas os conhecimentos evoluíram muito desde 2004. Atualmente, produzimos grafeno artificialmente, por meio de catálise”, disse Castro Neto.

Thoroh de Souza explica com mais detalhes como esse processo ocorre. “O ponto de partida é aquecer um hidrocarboneto [substância química constituída apenas por átomos de carbono (C) e de hidrogênio (H)] em estado gasoso. Por um mecanismo conhecido como ‘chemical vapor deposition’ [deposição química de vapor], os átomos de carbono e hidrogênio aquecidos se depositam sobre uma superfície metálica [como o cobre, por exemplo] adotada como suporte. Ao se depositarem, eles se arranjam naturalmente na rede hexagonal.”

Suporte e subgrupos

Segundo os pesquisadores, as perspectivas de aplicação do grafeno vão de telefones celulares a aviões. A versatilidade do material deve transformar radicalmente a configuração e o funcionamento de um sem número de equipamentos usados no dia a dia e propiciar a criação de muitos outros.

Em razão de sua estrutura quase bidimensional, o grafeno sempre precisa de um suporte. E um dos grandes desafios técnicos associados à sua produção é como transferir a rede de carbonos da base metálica para outra base composta por um polímero.

“Um dos métodos é depositar o polímero sobre a placa metálica que já aderiu à rede de grafeno. E, depois, corroer o metal, deixando o grafeno preso no polímero”, disse Thoroh de Souza.

“Tudo isso é crucial para a aplicação tecnológica, pois as muitas funcionalidades do grafeno dependem do tipo de suporte, bem como da pureza, do tamanho dos grãos e de outras características físicas do material”, comentou Castro Neto.

Para dominar todo o ciclo, que vai da síntese à aplicação, a equipe do projeto foi, grosso modo, estruturada em três subgrupos: o “subgrupo dos químicos”, encarregado da síntese e caracterização do grafeno; o “subgrupo dos engenheiros de materiais”, encarregado da transferência da placa de grafeno para outros substratos; e o “subgrupo dos físicos e engenheiros eletricistas”, encarregado do projeto dos dispositivos optoeletrônicos.

“Essas subequipes estão formadas, mas ainda há posições em aberto”, informou Thoroh de Souza. Informações a respeito das oportunidades podem ser acessadas no site do MackGrafe, na entrada “Positions”, disponível na barra horizontal do menu. Uma vaga de pós-doutoramento, com Bolsa da FAPESP, pode ser conferida no site Oportunidades da FAPESP.