Investigadores convertem cascas de amendoim em grafeno de alta tecnologia e baixo custo.

Erdnüsse acabam muitas vezes no estômago durante a noite de cinema, enquanto as suas cascas seguem, quase sempre, para o lixo. É precisamente este resíduo discreto que agora chama a atenção da investigação em materiais. Na Austrália, conseguiu-se transformar o desperdício da colheita em grafeno de alta qualidade - em minutos, sem químicos tóxicos e com uma utilização de energia surpreendentemente baixa.

Das cascas de amendoim ao grafeno de alta tecnologia

Todos os anos, a nível mundial, geram-se mais de dez milhões de toneladas de cascas de amendoim. A maior parte é composta, queimada ou simplesmente depositada em aterro. Do ponto de vista económico, o processo pouco compensa; do ponto de vista ambiental, também não é propriamente um exemplo de excelência.

Ainda assim, estas cascas estão cheias de carbono. As suas paredes celulares contêm bastante lenhina, um componente vegetal muito estável. É precisamente esse elevado teor de carbono que as torna uma base ideal para produzir grafeno, já que o grafeno é constituído exclusivamente por átomos de carbono.

Uma equipa liderada pelo engenheiro mecânico Guan Yeoh, da Universidade de Nova Gales do Sul, em Sydney, transformou essa ideia num conceito concreto: em vez de recorrer a fontes de carbono derivadas do petróleo, o grupo utiliza uma biomassa renovável e extremamente barata, que já existe em quantidades massivas.

De um resíduo agrícola quase sem valor nasce um material que até agora era visto como caro e exclusivo.

Desde a sua descoberta, o grafeno é tratado como um material extraordinário: mais resistente do que o aço, ao mesmo tempo finíssimo e flexível, e ainda um excelente condutor elétrico. O problema, até agora, esteve sempre na produção, que é complicada e dispendiosa, exigindo muitas vezes químicos e muita energia.

Dois choques térmicos que reorganizam os átomos do grafeno

O método australiano combina aquecimento convencional com um choque térmico extremamente curto. No essencial, o processo divide-se em duas etapas.

Passo um: da casca nasce um coque de carbono

Primeiro, as cascas são trituradas. Esse pó segue depois para uma espécie de forno aquecido indiretamente por corrente elétrica. Durante cerca de cinco minutos, a temperatura ronda os 500 graus Celsius.

• o oxigénio, o hidrogénio e outros componentes leves escapam
• são eliminados resíduos como cinzas e compostos voláteis
• no fim, sobra um coque rico em carbono, já com estruturas em anel relativamente organizadas

Essa pré-estrutura é crucial. Yeoh e a sua equipa sublinham que a qualidade deste produto intermédio determina, mais tarde, a qualidade do grafeno. Se este passo for executado de forma negligente, o resultado será um material quebradiço e cheio de defeitos.

Passo dois: aquecimento relâmpago acima de 3.000 graus

Na segunda fase, tudo se torna extremo. O coque de carbono entra num reator onde um impulso elétrico o aquece, durante apenas alguns milissegundos, acima dos 3.000 graus Celsius. Os especialistas chamam a este processo aquecimento Joule relâmpago.

Numa fração de segundo, os átomos de carbono reorganizam-se e juntam-se em camadas de grafeno.

Graças a este salto térmico curto e intenso, os átomos recebem energia suficiente para se organizarem em redes estáveis e planas. Ao mesmo tempo, não há tempo para surgirem novas impurezas ou defeitos grosseiros. Do material de origem ao grafeno, todo o processo leva apenas cerca de dez minutos.

Há ainda outra vantagem: o método dispensa solventes e reagentes adicionais. Isso reduz os riscos para os trabalhadores, corta custos com eliminação de resíduos e medidas de segurança, e torna o processo, em teoria, mais fácil de escalar.

Que tipo de grafeno se obtém?

O resultado não é uma película perfeita de uma única camada, como aquela que se conhece a partir de experiências fundamentais. Em vez disso, trata-se de grafeno turbostrático: várias camadas, ligeiramente rodadas entre si e sem alinhamento exato umas sobre as outras.

Para muitas aplicações industriais, isso é uma vantagem e não uma limitação. Esta estrutura é mais simples de produzir, apresenta boa condutividade e satisfaz as exigências de muitos produtos, por exemplo:

• elétrodos em baterias de iões de lítio ou de iões de sódio
• camadas condutoras em ecrãs flexíveis e ecrãs tácteis
• aditivo em plásticos para obter invólucros mais leves e condutores
• material de sensores para equipamentos médicos ou de medição ambiental
• tintas condutoras para eletrónica impressa

É verdade que, para as aplicações de topo na investigação quântica, continuam a ser necessárias camadas únicas perfeitamente ordenadas. Mas, para o mercado de massa, a versão australiana é mais do que suficiente - e pode mexer seriamente com os preços.

Uma conta com impacto: um quilo de grafeno por pouco mais de um euro

Os investigadores calcularam quanta energia o método consome. O resultado chama a atenção: para produzir um quilograma de grafeno, os custos energéticos rondam os 1,30 dólares americanos, ou seja, cerca de 1,10 euros.

Um material que muitas vezes é tratado como um luxo da nanotecnologia passa, assim, a ficar ao alcance de preços industriais normais.

Naturalmente, ainda faltam somar investimentos em instalações, manutenção, pessoal e logística. Mesmo assim, o balanço energético sugere que uma expansão industrial poderá ser consideravelmente mais barata do que muitos dos caminhos de síntese já usados.

A equipa vê nisto uma oportunidade para retirar o grafeno da sua posição de nicho. Se fabricantes de automóveis elétricos, empresas de baterias ou produtores de ecrãs conseguirem comprar grandes quantidades a preços moderados, o material poderá afirmar-se em produtos de série - do smartphone ao módulo solar.

Mais do que amendoins: café, bananas e afins

A equipa de Sydney não se fica por uma única matéria-prima. No laboratório, já decorrem ensaios com outros tipos de resíduos de biomassa:

• borras de café secas de cafés e de casas
• cascas de bananas e de outros frutos
• restos lenhosos de plantas com elevado teor de lenhina

Muitos destes materiais são, até agora, compostados ou queimados. Se também puderem ser convertidos em grafeno de alta qualidade, o conceito pode tornar-se uma peça da economia circular: diminuem os fluxos de resíduos e, ao mesmo tempo, cresce um mercado para materiais de alta tecnologia feitos a partir de restos.

Do laboratório à fábrica

Neste momento, o processo funciona à escala laboratorial. Pequenas quantidades, condições controladas, muito trabalho de afinação. O passo seguinte é bastante mais exigente: os investigadores querem desenvolver um protótipo industrial nos próximos três a quatro anos.

Para isso, precisam de instalações capazes de pré-aquecer grandes volumes de biomassa de forma homogénea e, depois, submetê-los a impulsos de aquecimento extremamente elevados. O fornecimento de energia, a tecnologia de segurança e o arrefecimento têm de ser dimensionados para que o processo permaneça estável e economicamente viável.

Etapa	Objetivo	Desafio
Laboratório	Demonstrar o princípio, analisar o material	Precisão das medições, compreensão do processo
Protótipo	Funcionamento contínuo em pequena escala	Controlo da temperatura, eficiência energética
Instalação industrial	Toneladas de grafeno por ano	Escala, custos, cadeias de abastecimento

Em paralelo, os potenciais clientes terão de testar como o grafeno de casca de amendoim se comporta nos seus produtos: uma bateria dura mais tempo? Um ecrã conduz melhor? O material integra-se sem problemas nas cadeias de produção já existentes?

O que torna o grafeno tão especial?

Quem acompanha o entusiasmo em torno do grafeno apenas de passagem poderá perguntar-se porque vale a pena tanto esforço. O material é composto por uma única camada de átomos de carbono organizados num padrão hexagonal - uma espécie de rede de malha hexagonal com espessura atómica.

Dessa estrutura resultam combinações invulgares de propriedades:

• resistência à tração extremamente elevada com peso muito reduzido
• excelente condutividade elétrica e térmica
• grande flexibilidade, fácil de combinar com películas e plásticos
• grande área superficial, útil para catalisadores e sensores

As baterias e os condensadores, em particular, beneficiam muito de uma superfície extensa e bem condutora. Com grafeno, é possível construir elétrodos que carregam mais depressa, suportam mais ciclos e são também mais leves.

Oportunidades, riscos e questões em aberto

Por mais atraente que a ideia pareça, ela não está livre de interrogações. Uma das questões centrais é saber até que ponto a qualidade se mantém uniforme quando o processo for transposto para instalações maiores. Pequenas variações de temperatura ou de tempo de permanência podem alterar a estrutura do grafeno.

Há também as dúvidas ambientais habituais: estas temperaturas extremas produzem gases problemáticos? Será possível controlar o processo de modo a quase não existirem emissões para o exterior? E quanta energia se poupa realmente quando se considera toda a cadeia, desde a colheita dos amendoins até ao componente final?

Do outro lado da balança estão vantagens muito concretas: os resíduos agrícolas passam a ter valor, os custos de eliminação diminuem e os recursos fósseis tornam-se, em parte, dispensáveis. Para produtores de países com grande cultivo de amendoim ou café, isso poderá significar, a médio prazo, uma fonte adicional de rendimento.

Quem hoje abre amendoins à mesa da cozinha ainda não imagina grande coisa. Mas, se os planos dos investigadores australianos forem bem-sucedidos, parte dessas cascas acabará um dia como uma camada invisível e condutora em baterias, ecrãs e sensores - e um simples resíduo de snack tornar-se-á um bloco de construção da eletrónica moderna.