Cascas de amendoim tornam-se grafeno em minutos na Austrália

As cascas de amendoim acabam habitualmente no lixo ou na compostagem. Na Austrália, porém, passaram a servir de matéria-prima para um dos materiais mais promissores da atualidade: o grafeno. Uma equipa de investigação demonstrou que este resíduo agrícola pode ser convertido, em poucos minutos, num material de elevada qualidade, sem química tóxica e com um consumo de energia surpreendentemente baixo.

Porque todos falam de grafeno, mas poucos o podem pagar

Há anos que o grafeno é considerado uma estrela da investigação de materiais. É formado por apenas uma camada de átomos de carbono dispostos numa rede semelhante a um favo de mel. Esta configuração confere-lhe características excecionais:

• mais resistente do que o aço, com um peso mínimo;
• mais condutor do que o cobre;
• extremamente fino e flexível;
• quimicamente estável e durável.

Apesar destas vantagens, o grafeno continua a ser um produto de nicho. Os métodos convencionais de produção são complexos, lentos e exigem muita energia. Como resultado, os preços mantêm-se elevados, tornando a sua utilização pouco viável em muitas aplicações de eletrónica, armazenamento de energia ou medicina.

“O grafeno é procurado como um diamante em bruto, mas até agora é tratado quase como se fosse ouro: caro, escasso e difícil de obter.”

É precisamente aqui que entra a equipa liderada por Guan Yeoh, engenheiro mecânico da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW), em Sydney. Os investigadores procuravam criar um processo baseado em biomassa barata, com uma utilização mínima de produtos químicos e passível de ser ampliado tecnicamente.

Cascas de amendoim como matéria-prima: do resíduo de snack ao material de alta tecnologia

Todos os anos são geradas, a nível mundial, mais de dez milhões de toneladas de cascas de amendoim. São um resíduo agrícola típico: volumoso, de reduzido valor e difícil de aproveitar de forma útil. Na maioria dos casos, acabam em aterros, são queimadas ou transformadas em produtos de baixo valor.

Para a investigação, no entanto, estas cascas são particularmente interessantes. A razão está na sua composição: contêm muito lignina, um componente vegetal rico em carbono. E o carbono é precisamente o elemento fundamental de que o grafeno necessita.

Em vez de recorrer, como é habitual, a compostos de carbono derivados do petróleo, a equipa australiana utiliza assim um recurso renovável que já é produzido em grandes quantidades. O estudo foi publicado na revista científica Chemical Engineering Journal Advances e já foi destacado por plataformas especializadas como a ScienceAlert.

Porque falharam as tentativas anteriores com biomassa

A ideia de transformar biomassa em grafeno já circula há vários anos. Contudo, muitas abordagens resultaram em materiais de qualidade inferior. As estruturas atómicas de carbono apresentavam frequentemente numerosos defeitos, o que reduzia de forma significativa a condutividade e a estabilidade.

O grupo de Yeoh identificou uma fragilidade nestes métodos anteriores: a preparação da matéria-prima. Sem um pré-tratamento rigoroso, permaneciam demasiadas impurezas e estruturas desorganizadas, um problema que dificilmente podia ser corrigido nas fases seguintes.

Dois choques térmicos sucessivos: como o grafeno é produzido em minutos

O novo método atua exatamente nessa etapa e assenta essencialmente em dois ciclos de aquecimento executados a uma velocidade inesperada.

Passo 1: aquecimento a 500 graus

Primeiro, os investigadores trituram as cascas de amendoim e aquecem-nas a cerca de 500 graus Celsius. O calor é produzido indiretamente por corrente elétrica, através de aquecimento por efeito Joule, durante aproximadamente cinco minutos.

Nesta fase, são libertados oxigénio, hidrogénio e outras substâncias indesejadas. O que resta é um resíduo rico em carbono, já com estruturas relativamente ordenadas, semelhante a um biocoque específico.

“A qualidade deste produto intermédio determina a qualidade do grafeno obtido mais tarde - é neste ponto que a equipa baseia o êxito do processo.”

Passo 2: calor instantâneo acima dos 3.000 graus

Na segunda fase, o material é sujeito a um verdadeiro choque térmico. Uma descarga elétrica breve eleva a temperatura para mais de 3.000 graus Celsius em milissegundos. Este efeito, designado Flash Joule heating, leva os átomos de carbono a reorganizarem-se.

Sob esta ação térmica extrema, mas muito breve, formam-se poucas camadas sobrepostas de forma solta, conhecidas como grafeno turbostático. As camadas não ficam perfeitamente alinhadas, mas isso pode até ser vantajoso em muitas utilizações, por exemplo, em baterias ou revestimentos condutores.

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

Baixos custos energéticos e grandes expectativas para a indústria

Talvez o aspeto mais impressionante sejam os custos energéticos calculados: segundo a equipa, bastam cerca de 1,30 dólares americanos em energia para produzir um quilograma de grafeno. Convertido, o valor fica pouco acima de um euro.

Em comparação, os métodos clássicos operam em escalas completamente diferentes, não apenas em custos, mas também no consumo energético. Uma redução deste tipo poderá transformar significativamente o mercado.

• O grafeno passaria a ser mais atrativo para fabricantes de baterias.
• Empresas de eletrónica poderiam prever áreas maiores de camadas condutoras.
• Sensores médicos poderiam ser produzidos a menor custo e em maior quantidade.
• Os revestimentos industriais poderiam tornar-se mais resistentes e, simultaneamente, mais leves.

Acresce que o método dispensa produtos químicos tóxicos. Em muitas rotas de síntese tradicionais são utilizados solventes, ácidos ou catalisadores que exigem eliminação complexa e podem criar obstáculos nos processos de licenciamento das instalações.

Do laboratório à fábrica: quando será realista a utilização em massa

Atualmente, o processo continua limitado à escala laboratorial. Os investigadores planeiam agora instalações-piloto capazes de processar quantidades muito superiores. O horizonte previsto é de cerca de três a quatro anos, altura em que deverão surgir os primeiros protótipos industriais.

Em paralelo, a equipa está a testar outras matérias-primas, com especial atenção a:

• borras de café provenientes de cafés e torrefações;
• cascas de banana de supermercados e cozinhas de grande escala;
• outras partes vegetais ricas em lignina provenientes da agricultura e da transformação alimentar.

Desta forma, um problema de eliminação de resíduos poderá converter-se num recurso. Agricultores, comerciantes e processadores passariam a dispor de novas oportunidades de venda para os seus resíduos orgânicos.

O que significa grafeno turbostático e para que serve

O termo turbostático pode parecer técnico, mas descreve sobretudo a disposição das camadas. Em vez de se formar uma folha única perfeita, surgem algumas camadas ligeiramente rodadas umas sobre as outras.

Esta estrutura é menos adequada para chips de elevada precisão, mas é mais do que suficiente para muitas outras áreas. É especialmente relevante para:

• sistemas de armazenamento de energia, como baterias de iões de lítio e futuras baterias de iões de sódio;
• células solares de película fina com elétrodos transparentes e condutores;
• ecrãs tácteis e monitores flexíveis;
• materiais compósitos leves nas indústrias automóvel e aeronáutica;
• biossensores capazes de medir os mais pequenos sinais elétricos no corpo.

A estrutura ligeiramente desorganizada facilita a passagem de iões e moléculas entre as camadas, o que representa uma vantagem para baterias e supercondensadores. Ao mesmo tempo, a elevada condutividade é amplamente preservada.

Oportunidades, riscos e questões em aberto

Por mais atraente que o processo pareça, ainda há vários pontos a esclarecer. Será possível manter uma qualidade igualmente estável à escala de toneladas como no laboratório? Até que ponto serão robustas as instalações perante variações térmicas tão extremas? E quão facilmente poderá o processo ser integrado em parques industriais existentes, por exemplo, junto de processadores de amendoim ou torrefações de café?

Os aspetos ambientais também exigem uma análise cuidadosa. Embora muitos produtos químicos deixem de ser necessários, as temperaturas elevadas requerem fontes de eletricidade eficientes, idealmente provenientes de energias renováveis. Caso contrário, parte da vantagem ecológica poderá perder-se.

Apesar destas questões, o projeto apresenta um cenário concreto: resíduos agrícolas transformados em matéria-prima para materiais de alta tecnologia. Quem hoje descarta cascas de amendoim sem lhes dar importância poderá, dentro de alguns anos, contribuir indiretamente para o abastecimento de fabricantes de smartphones, fábricas de baterias ou produtores de módulos solares.

Para os consumidores, isto poderá significar, a longo prazo, baterias mais duradouras, dispositivos mais leves, melhores sensores em equipamentos médicos - e tudo isto a preços pensados não apenas para laboratórios de investigação, mas também para o mercado de massas.