Investigadores transformam cascas de amendoim em grafeno económico de alto desempenho.

As cascas de amendoim acabam quase sempre no lixo ou no compostor. Na Austrália, porém, estão a ser usadas como matéria-prima para um dos materiais mais promissores da actualidade: o grafeno. Uma equipa de investigação demonstra como este resíduo agrícola pode ser transformado, em poucos minutos, num material de elevada qualidade - sem química tóxica e com um consumo de energia surpreendentemente baixo.

Porque é que toda a gente fala de grafeno - e quase ninguém o consegue pagar

Há anos que o grafeno é visto como a estrela da investigação em materiais. É composto por uma única camada de átomos de carbono, organizada numa grelha semelhante a um favo de mel. Essa estrutura confere-lhe propriedades fora do comum:

• mais resistente do que o aço, com um peso mínimo
  
• mais condutor do que o cobre
  
• ultrafino e flexível
  
• quimicamente estável e duradouro
  

Apesar destas vantagens, o grafeno continua a ser um produto de nicho. Os métodos tradicionais de produção são complexos, lentos e consomem muita energia. Por isso, os preços mantêm-se elevados - e, para muitas aplicações em electrónica, armazenamento de energia ou medicina, simplesmente não compensa utilizá-lo.

"Graphen ist begehrt wie ein Rohdiamant, wird bisher aber fast so behandelt, als wäre es Gold – teuer, knapp, schwer zugänglich."

É precisamente aqui que entra a equipa liderada pelo engenheiro mecânico Guan Yeoh, da Universidade de New South Wales (UNSW), em Sydney. O objectivo foi criar um processo que recorresse a biomassa barata, exigisse o mínimo de químicos e pudesse ser escalado para uso industrial.

Cascas de amendoim como matéria-prima: de resíduo alimentar a material de alta tecnologia

Em todo o mundo, geram-se anualmente mais de dez milhões de toneladas de cascas de amendoim. São um resíduo agrícola típico: volumoso, de baixo valor e difícil de aproveitar de forma útil. Na maior parte dos casos, acabam em aterro, são queimadas ou transformadas em produtos de menor valor.

Para a investigação, no entanto, estas cascas são particularmente interessantes - e a razão está na sua composição. Contêm muito lignina, um “material estrutural” vegetal rico em carbono. E o carbono é precisamente o elemento-base de que o grafeno precisa.

Em vez de recorrer, como é comum, a matérias-primas carbonáceas provenientes do petróleo, a equipa australiana usa assim um recurso renovável que já existe em grande quantidade. O estudo foi publicado na revista especializada Chemical Engineering Journal Advances e já foi destacado por portais como o ScienceAlert.

Porque é que tentativas anteriores com biomassa não resultaram

A ideia de converter biomassa em grafeno circula há vários anos. Contudo, muitos métodos produziram material de fraca qualidade: as redes de átomos de carbono ficavam frequentemente cheias de defeitos, o que piorava de forma clara a condutividade e a estabilidade.

O grupo de Yeoh apontou um ponto fraco recorrente nesses processos: a preparação da matéria-prima. Sem um pré-tratamento cuidadoso, permanecem demasiadas impurezas e estruturas desorganizadas - e isso é um problema que, mais tarde, quase não se consegue corrigir.

Dois choques térmicos seguidos: como o grafeno se forma em minutos

O novo método actua exactamente nessa fase e baseia-se, no essencial, em duas etapas de aquecimento que acontecem de forma surpreendentemente rápida.

Etapa 1: “pré-aquecimento” a 500 graus

Primeiro, os investigadores trituram as cascas de amendoim e aquecem-nas até cerca de 500 graus Celsius. O calor é gerado de forma indirecta por corrente eléctrica (aquecimento por efeito de Joule) e mantém-se por cerca de cinco minutos.

Nesta etapa, libertam-se oxigénio, hidrogénio e outras impurezas. O que fica é um resíduo rico em carbono, com estruturas já relativamente ordenadas - semelhante a um biocoque específico.

"Die Qualität dieses Zwischenprodukts entscheidet über die Qualität des späteren Graphens – daran macht das Team den Erfolg des Verfahrens fest."

Etapa 2: calor relâmpago acima de 3.000 graus

Na segunda fase, o material sofre um verdadeiro choque térmico. Uma descarga eléctrica curta aquece-o, em milissegundos, a mais de 3.000 graus Celsius. Este efeito, conhecido como “Flash Joule heating”, leva os átomos de carbono a reorganizarem-se.

Sob esta temperatura extrema, mas muito breve, formam-se poucas camadas pouco alinhadas entre si - o chamado grafeno turbostático. As camadas não ficam perfeitamente empilhadas, o que, em muitas utilizações, pode até ser vantajoso, por exemplo em baterias ou revestimentos condutores.

Desde a matéria-prima triturada até ao grafeno final, todo o processo demora apenas cerca de dez minutos. Não são usados solventes químicos nem reagentes adicionais.

Custos de energia baixos, grande expectativa para a indústria do grafeno

O aspecto talvez mais impressionante são os custos energéticos calculados: segundo a equipa, bastam cerca de 1,30 US-Dollar em energia para produzir um quilograma de grafeno. Convertendo, o valor fica pouco acima de um euro.

Em comparação, métodos clássicos situam-se, consoante o processo, noutro patamar - tanto em custos como em consumo energético. Uma redução desta magnitude poderia alterar significativamente o mercado.

• O grafeno tornar-se-ia mais atractivo para fabricantes de baterias.
  
• Empresas de electrónica poderiam planear áreas maiores de camadas condutoras.
  
• Sensores médicos poderiam ser produzidos a menor custo e em volumes mais altos.
  
• Revestimentos industriais poderiam tornar-se mais resistentes e, ao mesmo tempo, mais leves.
  

Além disso, o método evita químicos tóxicos. Em muitas rotas tradicionais de síntese, usam-se solventes, ácidos ou catalisadores que exigem eliminação complexa e podem criar entraves em processos de licenciamento de instalações.

Do laboratório à fábrica: quando o uso em massa do grafeno poderá acontecer

Por agora, o procedimento ainda está em escala laboratorial. A equipa quer avançar com instalações-piloto capazes de processar quantidades muito maiores. O horizonte apontado é de cerca de três a quatro anos, período em que deverão surgir os primeiros protótipos industriais.

Em paralelo, o grupo está a avaliar outras matérias-primas. Entre as mais visadas estão:

• borras de café de cafés e torrefacções
  
• cascas de banana de supermercados e cozinhas industriais
  
• outras partes de plantas ricas em lignina provenientes da agricultura e do processamento alimentar
  

Deste modo, um problema de resíduos pode transformar-se numa fonte de valor. Agricultores, comerciantes e transformadores ganhariam novos canais para escoar restos orgânicos.

O que significa grafeno “turbostático” - e para que serve

O termo turbostático soa altamente técnico, mas descreve essencialmente a forma como as camadas se organizam. Em vez de uma folha única perfeita, formam-se algumas camadas que ficam ligeiramente rodadas e desalinhadas umas em relação às outras.

Para chips de altíssima precisão, esta estrutura é menos adequada; para muitas outras áreas, é mais do que suficiente. Torna-se especialmente interessante para:

• armazenamento de energia, como baterias de iões de lítio e futuras baterias de iões de sódio
  
• células solares de película fina com eléctrodos transparentes e condutores
  
• ecrãs tácteis e displays flexíveis
  
• compósitos leves para a indústria automóvel e aeronáutica
  
• biossensores que medem sinais eléctricos mínimos no corpo
  

A estrutura ligeiramente desordenada facilita a passagem de iões e moléculas entre as camadas - um ponto a favor em baterias e supercondensadores. Ao mesmo tempo, a elevada condutividade mantém-se em grande parte.

Oportunidades, riscos e questões em aberto

Por mais apelativo que o método pareça, ainda há perguntas a responder. Será possível manter a qualidade em escala de toneladas com a mesma consistência do laboratório? Quão resistentes serão os equipamentos perante variações térmicas tão extremas? E até que ponto o processo se integra bem em parques industriais existentes, por exemplo junto de unidades de processamento de amendoim ou torrefacções?

Também os impactos ambientais exigem atenção. Embora muitos químicos deixem de ser necessários, as temperaturas elevadas dependem de fontes eléctricas eficientes, idealmente de origem renovável. Caso contrário, parte da vantagem ecológica pode perder-se.

Ainda assim, o projecto apresenta um cenário tangível: resíduos agrícolas tornam-se matéria-prima para materiais de alta tecnologia. Quem hoje descarta cascas de amendoim sem pensar poderá, dentro de alguns anos, contribuir indirectamente para o fornecimento de fabricantes de smartphones, fábricas de baterias ou produtores de módulos solares.

Para os consumidores, isto poderá significar, a longo prazo: baterias mais duráveis, dispositivos mais leves, sensores melhores em dispositivos médicos - e tudo isto a preços que não se destinam apenas a laboratórios de investigação, mas sim ao mercado de massas.