Das cascas de amendoim ao grafeno: um resíduo agrícola que pode virar material de alta tecnologia

As cascas de amendoim têm sido vistas, até agora, como um resíduo incómodo: vão para a compostagem ou acabam simplesmente queimadas. Agora, uma equipa de investigação na Austrália mostra que estas cascas frágeis escondem bem mais valor do que se pensava. Podem servir como fonte barata de matéria-prima para produzir grafeno de elevada qualidade - o material de carbono ultrafino que é apontado como um material extraordinário para baterias, células solares e sensores, mas que continua a ser caríssimo de fabricar.

Das cascas de petisco ao material de alta tecnologia

Todos os anos, o mundo gera mais de dez milhões de toneladas de cascas de amendoim. Trata-se de um resíduo clássico de baixo valor: pouco apelativo, raramente aproveitado e, na maioria dos casos, descartado sem grande benefício. É precisamente essa abundância que, do ponto de vista dos investigadores, torna o material tão promissor.

Grande parte da casca do amendoim é composta por lignina, um polímero natural de origem vegetal. A lignina contém uma elevada percentagem de carbono - e o carbono é a base do grafeno. Em vez de recorrer, como habitualmente, a fontes de carbono derivadas do petróleo, a equipa está a utilizar um recurso vegetal e renovável.

As cascas de amendoim transformam-se numa fonte surpreendentemente eficiente para produzir grafeno - barata, abundante e até agora pouco explorada.

O projeto é liderado pelo engenheiro mecânico Guan Yeoh, da Universidade de New South Wales (UNSW), na Austrália. Os resultados foram publicados na revista Chemical Engineering Journal Advances e mereceram atenção internacional por parte de vários meios especializados em ciência.

Porque é que o grafeno é tão cobiçado

Há anos que o grafeno desperta entusiasmo em laboratórios e na indústria. O material é constituído por uma única camada de átomos de carbono, com espessura atómica, organizada numa rede em forma de favo de mel. Isso confere-lhe propriedades invulgares:

• conduz a eletricidade melhor do que o cobre,
• é extremamente resistente e suporta grandes esforços mecânicos,
• é transparente e, ao mesmo tempo, flexível,
• pode ser combinado com outros materiais.

O reverso da medalha é que os métodos tradicionais de produção são complexos, exigem temperaturas elevadas, matérias-primas caras e, muitas vezes, substâncias químicas agressivas. Isso torna o grafeno dispendioso e dificulta a sua presença em produtos de grande consumo, como smartphones ou veículos elétricos.

Duas etapas de aquecimento transformam cascas em grafeno

O método australiano assenta num processo de aquecimento em duas fases, no qual a eletricidade desempenha um papel central. O aspeto decisivo é que tudo acontece sem solventes nem reagentes adicionais.

Etapa 1: as cascas de amendoim tornam-se numa carbonização rica em carbono

Primeiro, as cascas são trituradas e submetidas a aquecimento elétrico indireto, por efeito de Joule, até cerca de 500 graus Celsius. Esta fase demora aproximadamente cinco minutos. Durante esse processo, libertam-se oxigénio, hidrogénio e outros átomos estranhos. No final, fica um resíduo rico em carbono, uma espécie de carvão fino com anéis de carbono já relativamente bem organizados.

Segundo Yeoh, esta pré-tratamento é determinante para a qualidade final: só quando a etapa intermédia apresenta o máximo de pureza e estrutura é que o grafeno de alta qualidade se forma mais tarde.

Etapa 2: um impulso de milissegundos a 3.000 graus

Na segunda fase ocorre aquilo que os investigadores consideram o verdadeiro “milagre”: o resíduo de carbono passa por um processo chamado aquecimento Flash Joule. Um impulso elétrico extremamente breve, mas muito intenso, faz a temperatura subir para mais de 3.000 graus Celsius em milissegundos.

Sob esse choque térmico extremo, os átomos de carbono reorganizam-se e formam camadas de grafeno. Todo o processo, desde a casca até ao pó final, demora apenas cerca de dez minutos.

A passagem das cascas de petisco para um material de alta tecnologia demora apenas alguns minutos e não exige uma única substância química.

Como nada é evaporado ou lavado, mantém-se uma grande proporção do carbono inicial - o que reduz ainda mais a necessidade de energia.

Que tipo de grafeno é produzido - e para que serve

O material obtido não é uma folha perfeita e isolada de grafeno, mas sim o chamado grafeno turbostratificado. Isto significa que várias camadas de grafeno estão empilhadas, mas ligeiramente rodadas e desalinhadas entre si.

Em muitas aplicações reais, essa forma é até vantajosa. É mais fácil de incorporar em compósitos, ou seja, materiais mistos, e adapta-se bem a:

• elétrodos em baterias de iões de lítio ou de iões de sódio,
• camadas condutoras em ecrãs flexíveis e ecrãs tácteis,
• pistas condutoras em eletrónica impressa,
• sensores para tecnologia médica ou monitorização ambiental,
• materiais leves com maior estabilidade.

Para aplicações de topo muito exigentes, por exemplo em investigação fundamental ou em componentes quânticos específicos, o grafeno turbostratificado poderá não ser suficiente. Já para produtos de grande escala na indústria, pode oferecer exatamente o equilíbrio certo entre desempenho e custo.

Fator de custo: grafeno ao preço energético de uma chávena de café

Particularmente impressionantes são os custos energéticos estimados: os investigadores calculam cerca de 1,30 dólares norte-americanos para a energia necessária para produzir um quilograma de grafeno. Convertido, isso corresponde a cerca de 1,10 euros - note-se que se trata apenas da energia, sem incluir instalações nem pessoal.

Aspeto	Produção convencional de grafeno	Processo com cascas de amendoim
Matéria-prima	Carbonos de origem petrolífera, grafite	Resíduo agrícola (cascas de amendoim)
Substâncias químicas	Muitas vezes ácidos/solventes agressivos	Sem aditivos
Necessidade energética	Elevada, difícil de escalar	Cerca de 1,30 dólares por quilograma de grafeno
Pegada ambiental	Penalizada pelo uso de matérias-primas fósseis	Aproveitamento de resíduos, potencialmente mais amigo do clima

É precisamente este baixo custo energético que pode abrir a porta a uma utilização muito mais ampla. Até agora, o grafeno tem sido reservado sobretudo a projetos especiais. Se a barreira do preço baixar, os fabricantes de baterias, células solares ou eletrónica poderão trabalhar com o material em escala muito maior.

Do laboratório à fábrica: três a quatro anos até ao protótipo

Para já, o processo ainda decorre à escala laboratorial. A equipa quer agora desenvolver instalações-piloto capazes de processar quantidades muito maiores. A meta é construir, dentro de três a quatro anos, um protótipo industrial que produza grafeno de forma contínua a partir de resíduos agrícolas.

Para isso, estão também a testar outras fontes de biomassa com elevado teor de lignina. Entre as principais estão:

• borras de café secas provenientes da restauração e das casas,
• cascas de banana oriundas do comércio alimentar,
• outros resíduos vegetais com elevada densidade de carbono.

Se esta expansão resultar, poderá surgir uma cadeia de valor completamente nova: bioresíduos que hoje quase não valem nada passariam a ser matérias-primas valiosas para a indústria.

O que isto pode significar para a tecnologia do dia a dia

Para os consumidores, a ideia parece quase absurda: as cascas dos amendoins do serão em frente à televisão acabariam, indiretamente, em baterias, ecrãs ou sensores. É precisamente esse o cenário de longo prazo que a equipa apresenta.

Hoje, o grafeno já reforça materiais de elétrodos em protótipos de baterias. Se no futuro houver grafeno barato produzido a partir de biomassa, os fabricantes poderão:

• criar baterias mais potentes e duradouras,
• desenvolver ecrãs mais finos, flexíveis e resistentes,
• aplicar componentes leves e condutores na indústria automóvel e aeronáutica,
• tornar os sensores médicos ainda mais sensíveis e pequenos.

A rapidez com que estes produtos chegarão ao mercado depende de o processo de produção ser fiável, estável e capaz de cumprir padrões industriais. Um dos fatores mais importantes é a consistência da qualidade do material, sobretudo no que toca à segurança e à vida útil das baterias.

O que está por trás de termos como lignina e aquecimento Flash Joule

Muitas pessoas conhecem a lignina apenas de forma indireta: é ela que dá rigidez à madeira e ajuda a estabilizar os caules das plantas. Na indústria do papel, costuma ser vista como um fator indesejado e acaba descartada - aqui, porém, transforma-se numa valiosa fonte de carbono. O seu elevado teor de carbono facilita a formação das estruturas de grafeno.

Já o aquecimento Flash Joule descreve um aquecimento elétrico extremamente rápido. Em vez de aquecer um material lentamente num forno, faz-se passar um impulso de corrente curto e forte. A resistência do material converte essa energia diretamente em calor, como se fosse um choque térmico elétrico. Como o impulso é tão breve, a temperatura sobe de forma muito acentuada, sem que todo o sistema arrefeça ou derreta.

É precisamente esta combinação de matéria-prima orgânica com um choque térmico elétrico que torna o processo tão interessante: junta valorização de resíduos, eficiência energética e nanotecnologia num único procedimento.