Rota eletroquímica permite sintetizar fulerenos gigantes com custo e impacto ambiental menores

Pesquisadores da USP e da Universidade La Sapienza, de Roma, obtiveram o material sem necessidade de altas temperaturas. Produto tem potencial para muitas aplicações, de eletrônicos a cosméticos

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Um estudo conduzido por pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) e da Università degli Studi di Roma “La Sapienza” obteve a síntese de fulerenos e partículas esféricas ocadas de grafeno utilizando apenas grafite natural, etanol, água e hidróxido de sódio em condição ambiente. A pesquisa – publicada no periódico Diamond and Related Materials – mostrou a viabilidade de produzir, por rota eletroquímica, estruturas que até então exigiam temperaturas altíssimas.

“Nosso trabalho indica que é possível obter fulerenos, inclusive os chamados fulerenos gigantes, com até 190 átomos de carbono por processo eletroquímico simples, sem catalisadores nem altas temperaturas”, diz o pesquisador José Mauricio Rosolen, professor do Departamento de Química da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP-USP) e coordenador do estudo. “Esse método abre caminho para novas formas de síntese orgânica e aplicações tecnológicas ainda inexploradas”, prevê o pesquisador.

Os fulerenos são moléculas esféricas compostas inteiramente por átomos de carbono, como o célebre C₆₀, também conhecido como “buckminsterfulereno”, porque as esferas de carbono apresentam a mesma configuração do domo geodésico criado pelo designer, arquiteto e inventor norte-americano Buckminster Fuller (1895-1983).

Desde sua descoberta, em 1985, essas estruturas vêm sendo estudadas por suas propriedades eletrônicas e estruturais únicas. Em 2010, por meio de observações feitas com o telescópio espacial Spitzer, da Nasa, os fulerenos foram detectados pela primeira vez no espaço cósmico, mais precisamente na nebulosa planetária Tc 1, localizada a cerca de 6 mil anos-luz da Terra. Em condições de laboratório, porém, a produção de fulerenos com mais de 100 átomos de carbono, os chamados “gigantes”, permaneceu desafiadora, devido ao alto patamar de temperatura necessário para que os átomos de carbono se arranjassem na configuração esférica – tipicamente na faixa de 3.000 °C e 4.000 °C.

No novo estudo, os pesquisadores demonstraram que a polarização anódica de grafite em uma célula eletroquímica induz a formação de folhas de grafeno, provavelmente oxidado, que se automontam espontaneamente em fulerenos e esferas ocadas. A caracterização do produto final foi feita por microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia de força atômica (AFM), microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), espectrometria de massa (MALDI-TOF) e espectroscopia no ultravioleta visível (UV-Vis).

“Observamos aglomerados de partículas esféricas com tamanhos diversos, desde estruturas semelhantes a bolhas de sabão de 10 nanômetros até grandes esferas deformáveis de até 320 nanômetros aprisionadas entre redes de nanotubos de carbono”, diz Rosolen.

O estudo também identificou, por espectrometria de massa, picos característicos de fulerenos bem investigados (C_₆₀ , C_7₀) e de gigantes (como C_₁₄₆ , C_₁₆₂ , C_₁₇₆ e C_₁₉₀). Picos sucessivos, separados por cerca de 160 unidades, indicam fragmentações por perdas de grupos C_₁₂, sugerindo processos de montagem hierárquica. “A formação das estruturas depende criticamente da presença de radicais hidroxila [●OH] e íons hidroxila [OH^⁻], gerados pela oxidação eletroquímica da água e pelo efeito do etanol. Esses radicais atacam as bordas e defeitos do grafite, fragmentando as folhas e promovendo a exfoliação do material”, explica Rosolen.

O artigo mostra que quando a tensão elétrica aplicada é elevada demais (acima de 10 V) a produção de fulerenos diminui drasticamente e passam a predominar nanopontos de carbono, ou quantum dots, em vez de estruturas esféricas. Os resultados indicam que a automontagem de grafeno oxidado em fulerenos depende de um delicado equilíbrio entre a concentração de radicais ●OH e íons OH⁻, o tipo e o tamanho das partículas de grafite utilizadas, o tempo de polarização e a tensão elétrica aplicada.

Também foi observada a presença de grupos funcionais oxigenados nas estruturas, o que pode facilitar futuras modificações químicas, dependendo do tipo de aplicação desejado. Como todo o processo se dá em meio líquido, a adição de outros componentes de interesse fica facilitada. “Com esse trabalho, abrimos a possibilidade de produzir fulerenos gigantes por uma via eletroquímica acessível e ambientalmente mais amigável”, diz Rosolen. “Ainda há muito a entender sobre os mecanismos de formação dessas estruturas, mas os resultados são promissores.”

A pesquisa recebeu apoios da FAPESP por meio de dois projetos (24/02535-3 e 20/08322-0).

O artigo Self-assembly graphene into fullerenes and hollow spherical graphene particles during anodic polarization of graphite pode ser acessado em: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925963525004364.