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Planta piloto de grafeno em Minas impulsiona desenvolvimento industrial em nanotecnologia

Com um valor de mercado mil vezes maior do que o mineral que lhe dá origem, o grafeno desponta como um material de grande utilidade na indústria do futuro próximo, por suas inúmeras propriedades físicas e químicas. Originário da grafita natural, onde se encontra empilhado em camadas “folhadas”, justapostas e com interações entre si, o grafeno é obtido por processos de “delaminação” ou clivagem controlada do grafite.

C b1 b2 Esquema das camadas do grafeno e microscopia eletronica de um floco de grafeno
Acima - Ilustração das camadas de grafeno na grafita - adaptado de https://content.darnell.com/uploads/2019/02/glayers.jpg -
Abaixo - Imagem de microscopia eletrônica de um floco de grafeno - Divulgação

O Brasil possui uma das maiores reservas mundiais de grafite e atualmente responde pela terceira maior produção do mineral. Minas Gerais lidera a produção nacional e contribui com mais de 70% do grafite produzido no País. Ao lado dessa produção mineral, um estudo de mercado da DataM Intelligence 4Market Research projeta que o mercado mundial de grafeno seja de bilhões de reais até 2025.

O grafeno é formado por um arranjo de átomos de carbono em uma estrutura hexagonal planar, na forma de favos de mel, com espessura de apenas um átomo de carbono. Uma folha de grafeno isolada tem espessura menor do que meio nanômetro, sendo que um nanômetro corresponde a um milímetro dividido em um milhão de vezes.

Por ter essa estrutura e pelas ligações químicas carbono-carbono serem as mais fortes encontradas na natureza tem inúmeras propriedades importantes para o desenvolvimento de novos materiais. O grafeno é, assim, qualificado como um material de alto desempenho mecânico, elétrico e térmico, além de ser quimicamente inerte e extremamente impermeável, numa estrutura planar atomicamente fina que não permite que nem mesmo átomos de hélio a atravessem.

Por suas dimensões nanométricas e por suas propriedades específicas, muito diferentes da grafita que o origina, o grafeno é classificado como um nanomaterial. Com as vastas reservas e a alta produção de grafite, somados ao fato de a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e o CDTN serem pioneiros e consolidarem sua tradição em estudos e aplicações de nanocarbono, Belo Horizonte tornou-se o ambiente ideal para o desenvolvimento da pesquisa e instalação de uma planta piloto de grafeno.

Por todas essas condições propícias, desde junho de 2016, a Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais – hoje Codemge – investe em um projeto em parceria com a UFMG e o CDTN – o Projeto MGgrafeno, que tem como objetivos principais o desenvolvimento de uma tecnologia para a produção de grafeno de alta qualidade e baixo custo, de forma reprodutível e em escala, além da demonstração de algumas aplicações atraentes que utilizem o nanomaterial produzido. O projeto nasceu de uma diretriz da então Codemig de valorizar os minerais extraídos em Minas Gerais e receberá investimentos da ordem de R$ 21,3 milhões, até meados de 2019.

C c1 Planta piloto de grafeno instalada no CDTN
Planta piloto de produção de grafeno instalada no CDTN - Divulgação

A Codemge trabalha para que a produção de grafeno e o apoio ao desenvolvimento de suas aplicações, além de agregarem enorme valor à grafita, permitam a criação de uma nova cadeia de negócios inovadores em torno de suas aplicações. Um dos grandes desafios ainda é a redução do custo de produção do grafeno, para garantir o aumento da sua disponibilidade de forma que possa ser amplamente utilizado como matéria prima industrial.

Atualmente, um processo eficiente de produção de grafeno já opera em uma planta piloto – a primeira para produção de grafeno no Brasil, em instalações do CDTN. O processo gera dois nanomateriais: o grafeno e as nanoplacas de grafeno, com capacidade instalada de aproximadamente 35 kg/ano e 110 kg/ano, respectivamente.

Além de já ter superado as metas do projeto original em termos de produção, o processo desenvolvido já é capaz de alcançar escala, sendo prevista uma expansão considerável nos próximos três anos. O processo é baseado em água, sendo que 100% do resíduo produzido é reutilizado ou reciclado e 100% da água utilizada retorna ao processo. Isso torna a planta ecologicamente correta e sustentável e, até onde se pode afirmar, é a única no mundo com essas características.

C e1 Utilizacao de grafite brasileiro para o processo de conversao em grafeno
Utilização de grafite brasileiro para o processo de conversão em grafeno - Divulgação

O projeto tem à frente pesquisadores, como as tecnologistas Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo. e Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo., do CDTN, além de Daniel Elias, Flávio Plentz e Luiz Gustavo Cançado, do Departamento de Física, de Omar Parnaíba, do Departamento de Ciência e Computação, todos esses do Instituto de Ciências Exatas da UFMG, e Guilherme Frederico Lenz e Silva, do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP). O MGGrafeno integra, ao todo, uma equipe de 51 profissionais, sendo 20 deles doutores em áreas relacionadas ao grafeno e áreas correlatas.

Aplicações do grafeno

A importância dessa planta piloto e dos resultados do MGgrafeno se torna ainda maior na medida em que são conhecidas as aplicações desse material produzido. Com campos de aplicação diversos, os principais estão na eletrônica, na geração e armazenamento de energia e na produção de compósitos, áreas onde o projeto MGgrafeno já desenvolveu e demonstrou a adequação do material produzido na planta piloto atual.

O grafeno produzido em Minas Gerais é adequado para aplicações no setor eletrônico, na confecção de sensores para o monitoramento de gases, metais, moléculas orgânicas e inorgânicas e biomoléculas. Esse tipo de aplicação é diretamente associado à elevada área superficial do grafeno, que o torna muito sensível a qualquer modificação em sua vizinhança próxima.

A elevada condutividade elétrica deste tipo de grafeno também permite sua aplicação em eletrônica impressa, na produção de dispositivos vestíveis (wearables), tecidos inteligentes e na confecção de eletrodos e filmes finos condutivos. O grafeno é também um grande candidato para novas tecnologias de produção de telas sensíveis ao toque para usos em telefones celulares (smartphones), tablets e computadores.

C d1 Aplicacao de grafeno em tinta para conduzir eletricidade
Aplicação de grafeno em tinta de impressão para conduzir eletricidade - Divulgação

Mas, segundo os estudos de mercado mais atuais, é no setor de energia e armazenamento onde se concentra o maior potencial econômico e tecnológico de aplicação do grafeno, uma vez que esse nanomaterial apresenta elevada área superficial, boa estabilidade química e alta condutividade elétrica. Ele já é utilizado em supercapacitores (dispositivos capazes de armazenar uma grande quantidade de energia com rápido ciclo de carga e descarga), nas modernas e inovadoras baterias de lítio-enxofre e lítio-íon e no desenvolvimento de eletrodos para células fotovoltaicas. Esses são desenvolvimentos que irão permitir um aumento significativo da capacidade de armazenamento de energia elétrica, em baterias mais seguras, leves e compactas, cobrindo uma gama de utilizações que vai desde o setor eletroeletrônico até o de mobilidade em veículos elétricos.

Outra importante área de aplicação do grafeno é nos materiais compósitos, que são materiais formados pela união de materiais de natureza diferente com o objetivo de se obter um produto de maior qualidade. Nesse caso, o nanomaterial grafeno é incorporado a um material hospedeiro, como matrizes poliméricas, cerâmicas ou metálicas, o que permite modificar e melhorar suas propriedades. Nos polímeros, a incorporação do grafeno possibilita a obtenção de materiais muito mais resistentes mecanicamente, com a vantagem de poder introduzir, ao mesmo tempo, outras propriedades, como impermeabilidade a gases e condutividade elétrica.

Já está demonstrado também que a incorporação do grafeno de forma adequada a tintas gera coberturas com alto desempenho na proteção à corrosão em ambientes severos, como plataformas marítimas e torres eólicas que operam em mar aberto. Pode-se, assim, utilizá-lo ainda para a fabricação de partes de aeronaves, veículos automotores e de materiais de construção civil, como cimento, refratários e tintas.

Um ponto essencial para o desenvolvimento de aplicações que de fato têm potencial para atingir o mercado e criar novos negócios é a formação de parcerias para pesquisas conjuntas com empresas. Com mais de dois anos de pesquisas e desenvolvimento, o MGgrafeno já formou, ou está em processo de formação, de mais de dez parcerias de desenvolvimento de aplicações com empresas nacionais e multinacionais, desde empresas de grande porte até startups.

Mas, como a cada dia surgem novas aplicações para esse nanomaterial, mais informações podem ser obtidas pelo Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo. do MGgrafeno.

Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo. - jornalista

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