Grafeno de cascas de amendoim: um novo impulso para a alta tecnologia

As cascas de amendoim eram vistas, até há pouco tempo, como um incómodo resíduo agrícola. Agora, uma equipa de investigação australiana demonstra que este subproduto pode ser a chave para produzir grafeno a um custo muito mais baixo - o material extraordinário chamado a transformar baterias, ecrãs e sensores, mas cuja produção continua a ser demasiado dispendiosa.

De resíduo alimentar a matéria-prima de alta tecnologia

Quem come amendoins raramente pensa no destino das cascas. À escala mundial, porém, a agricultura gera anualmente mais de dez milhões de toneladas deste resíduo. Grande parte acaba em aterros ou, no melhor dos casos, é encaminhada para compostagem. O seu valor económico é quase nulo e a eliminação pode também criar problemas ambientais.

Foi precisamente neste ponto que se concentrou o grupo liderado por Guan Yeoh, engenheiro mecânico da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW), na Austrália. Os investigadores procuraram perceber se este aparente desperdício poderia tornar-se numa matéria-prima de carbono de elevada qualidade - e, posteriormente, em grafeno, constituído por camadas ultrafinas de carbono.

“A casca de amendoim é rica em lignina, um polímero vegetal com elevado teor de carbono - uma base ideal para produzir grafeno.”

A lignina é habitualmente conhecida por conferir rigidez à madeira e às fibras vegetais. Para a produção de grafeno, o seu principal interesse reside no facto de ser composta, em grande medida, por anéis de carbono, capazes de se reorganizar na estrutura característica do grafeno quando sujeitos às condições adequadas.

Porque é que o grafeno é tão procurado - e tão caro

O grafeno desperta o interesse dos investigadores há anos. É formado por uma ou por poucas camadas de átomos de carbono dispostos num padrão semelhante a uma colmeia. Esta configuração confere-lhe propriedades invulgares:

• condutividade elétrica muito elevada - superior à do cobre;
• resistência à tração extrema - mais resistente do que o aço, com um peso bastante inferior;
• boa condutividade térmica;
• elevada transparência - relevante para ecrãs e células solares.

A desvantagem está nos métodos convencionais de produção, que são complexos, exigem muita energia e recorrem frequentemente a substâncias químicas prejudiciais para o ambiente e a saúde. Por isso, o grafeno mantém-se caro e a sua utilização limita-se a algumas aplicações especializadas.

Choque térmico em duas fases reorganiza os átomos de carbono

A equipa australiana recorre a um processo térmico novo, dividido em duas etapas. Em vez de utilizar químicos ou técnicas de deposição complexas, aplica uma corrente elétrica breve e extremamente intensa.

Passo 1: as cascas de amendoim transformam-se num carbono especial

Primeiro, as cascas são trituradas e aquecidas num reator até cerca de 500 graus Celsius. O calor resulta do chamado efeito de Joule: a corrente atravessa um material condutor e aquece-o a partir do interior. Esta fase demora aproximadamente cinco minutos.

Durante esse período, evaporam a água, o oxigénio, o hidrogénio e outras impurezas. O material restante é um “biocoque” rico em carbono, com numerosos anéis aromáticos, isto é, carbono já relativamente bem organizado. Segundo Yeoh, a qualidade deste produto intermédio determina em grande medida a qualidade do grafeno obtido no fim.

Passo 2: um impulso ultrarrápido converte o carbono em grafeno

Na segunda fase ocorre o verdadeiro momento decisivo: o carbono preparado recebe um impulso elétrico muito curto, mas intenso, conhecido como Flash Joule Heating. Durante alguns milissegundos, a temperatura ultrapassa os 3.000 graus Celsius.

“Sob este choque térmico, os átomos de carbono reorganizam-se espontaneamente em camadas finas de grafeno - todo o processo demora apenas cerca de dez minutos.”

É difícil atingir estas temperaturas de forma eficiente com fornos convencionais. A técnica de impulso rápido permite fazê-lo de forma precisa e durante intervalos extremamente curtos, limitando assim as perdas de energia.

Outra vantagem é que o método não precisa de solventes nem de reagentes adicionais. Consequentemente, não produz resíduos tóxicos que exijam uma eliminação complexa. Este aspeto constitui um argumento importante para aplicações industriais e para o cumprimento de requisitos ambientais.

Que tipo de grafeno é produzido e onde pode ser utilizado

O produto final não é uma película perfeita de grafeno monocamada, como a que é procurada em investigação fundamental. Em vez disso, forma-se grafeno turbostrático: várias camadas sobrepostas, mas ligeiramente rodadas entre si e sem uma organização estritamente regular.

Para muitas utilizações técnicas, esta estrutura pode ser particularmente vantajosa. Combina boa condutividade com alguma robustez mecânica e é mais simples de incorporar em materiais já existentes. Entre as aplicações adequadas para este tipo de grafeno incluem-se:

• material de elétrodo para baterias e supercondensadores;
• camadas condutoras em células solares;
• ecrãs tácteis e ecrãs flexíveis;
• sensores médicos e biossensores;
• reforço de plásticos e revestimentos.

O estudo australiano indica que o grafeno produzido a partir de cascas de amendoim consegue competir, em parâmetros fundamentais, com o grafeno obtido por processos convencionais, mas com um consumo de energia significativamente menor.

Cálculo com impacto: um quilograma de grafeno por pouco mais de um euro em energia

A questão dos custos merece atenção especial por parte da indústria e dos decisores políticos. De acordo com os cálculos da equipa, basta energia no valor de cerca de 1,30 dólares americanos para fabricar um quilograma de grafeno - aproximadamente 1,10 euros.

Os custos exatos podem variar consoante o país e a composição da produção elétrica. Ainda assim, a comparação geral é clara: se o processo puder ser escalado, o grafeno poderá passar de material de nicho a produto de grande consumo.

Mais do que amendoins: café e bananas na mira

Os investigadores já estão a olhar para além da primeira matéria-prima testada. O método deverá funcionar sempre que exista biomassa rica em lignina e carbono. A lista já inclui:

• borras de café provenientes de torrefações e cafetarias;
• cascas e restos de bananas;
• outros resíduos agrícolas lenhosos com uma elevada proporção de lignina.

Há ainda um benefício ambiental. Ao aproveitar estes resíduos, reduz-se a pressão sobre matérias-primas fósseis, como o petróleo, que até agora fornecem parte das fontes de carbono usadas em materiais de alta tecnologia. Ao mesmo tempo, agricultores e empresas de processamento podem ganhar uma nova fonte de receita com subprodutos até aqui pouco valorizados.

O caminho até à fábrica: oportunidades e obstáculos

A abordagem já funciona em laboratório. Segue-se a etapa mais difícil: levá-la a instalações-piloto em maior escala. A equipa australiana pretende avançar para protótipos industriais dentro de três a quatro anos.

Para tal, será necessário responder a várias questões:

• Como controlar o processo de impulso térmico de forma segura e uniforme em reatores de maior dimensão?
• Que etapas de preparação são necessárias para que cascas de amendoim de diferentes origens forneçam uma qualidade comparável?
• Como integrar o grafeno em baterias, células solares ou processos de fabrico de eletrónica existentes, sem reconstruir por completo as linhas de produção?

Em paralelo, as normas e os padrões de qualidade ganharão importância. Os fabricantes precisam de dados fiáveis sobre condutividade, espessura das camadas e pureza antes de incorporarem novos materiais nos seus produtos.

Como o grafeno feito de resíduos pode mudar o quotidiano

Se a tecnologia se afirmar, poderá estar presente em numerosos produtos do dia a dia sem que os consumidores se apercebam. É o caso de baterias de smartphones com carregamento mais rápido e maior duração, ou de ecrãs finos e flexíveis para dispositivos vestíveis e tablets. Nas baterias de automóveis elétricos, os aditivos de grafeno poderão também contribuir para maior desempenho e vida útil mais longa.

Nas aplicações médicas, os sensores com camadas de grafeno são especialmente promissores. Respondem de forma sensível a sinais químicos, por exemplo no suor ou no sangue, e poderão vir a desempenhar um papel na monitorização da saúde e no diagnóstico.

O que significam lignina e grafeno turbostrático

Muitos destes termos técnicos parecem complexos, mas são fáceis de compreender. A lignina funciona, essencialmente, como a “cola” e o estabilizador da madeira e das fibras vegetais. Nas serrações, surge em grandes quantidades como subproduto e é geralmente queimada ou aproveitada de forma pouco valorizada. O facto de cascas de frutos secos ou de banana poderem agora servir de ponto de partida para materiais de alta tecnologia ilustra a transformação em curso na ciência dos materiais.

O termo “turbostrático” também é menos invulgar do que parece: significa que várias camadas de grafeno estão sobrepostas, mas não se encontram alinhadas com exatidão. As camadas estão ligeiramente rodadas. Por isso, interagem de forma diferente do que em empilhamentos perfeitamente ordenados, o que influencia as propriedades elétricas - muitas vezes de modo positivo, nomeadamente para materiais de elétrodo.

No fundo, a ideia das cascas de amendoim reúne várias tendências: valorização de resíduos, produção com menor consumo energético e procura de materiais capazes de tornar mais eficientes a eletrónica, o fornecimento de energia e a tecnologia médica. Ainda não se sabe qual a biomassa que prevalecerá, mas a casca de amendoim já demonstrou de forma convincente o potencial escondido em resíduos subestimados.