Obtido a partir da reordenação de moléculas do carbono, material é o mais leve e resistente que existe, com altíssima condutividade térmica e elétrica – por isso considerado o principal recurso da atualidade para aplicações em alta tecnologia.

Matéria publicada originalmente na edição 29 da revistaUCS

Baterias de telefones celulares carregadas em minutos; dispositivos móveis com capacidade multiplicada de armazenamento e processamento de dados; sistemas de transmissão de sinais muito mais eficientes; painéis solares ultrapotentes; roupas com isolação térmica; tintas para ambientes externos com altíssima durabilidade; e filtros capazes de limpar águas contaminadas. Essas são algumas das possibilidades, em distintas áreas de uso, que universidades e empresas ao redor do mundo vislumbram com a aplicação do grafeno em produtos presentes no cotidiano de milhões de pessoas.

Com diversas frentes de pesquisa na área, professores pesquisadores da Universidade de Caxias do Sul deram início à produção de grafeno com alta pureza, inicialmente em pequena escala, visando à obtenção de material para estudos em nanotecnologia, medicina regenerativa, revestimentos avançados e segurança militar conduzidos em laboratórios da instituição. O domínio de diferentes técnicas produtivas, no entanto, coloca a UCS na vanguarda do desenvolvimento de outras aplicações nos mais diversos segmentos que o material – o mais leve e resistente que existe, com excelente condutividade térmica e elétrica – pode ser implementado.

O grafeno é uma das formas alotrópicas do carbono, assim como o diamante, o carvão e o grafite (do qual é derivado), caracterizando-se pela organização hexagonal dos átomos. Foi isolado pela primeira vez em laboratório em 2004, na Inglaterra, em uma pesquisa que resultou no Prêmio Nobel de Física. Seu uso tem viabilizado a criação de produtos com elevada condutividade térmica e elétrica e maior resistência mecânica, capacidade de transmissão de dados e economia de energia. As principais aplicações do grafeno se voltam para a área da nanotecnologia – na produção de microchips, baterias, capacitores, e de telas, displays LCD e touchscreens de televisores, computadores e celulares.

Subsídio para pesquisa

O grafeno é obtido com a reordenação das moléculas do grafite para o formato hexagonal. A partir da produção em escala industrial, o custo médio de comercialização no mercado internacional tem ficado em torno de 100 dólares o grama.

Os pesquisadores da UCS trabalham com alternativas distintas para o desenvolvimento de tecnologias que reduzam o custo de produção. O coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharias de Processos e Tecnologias, Ademir José Zattera, atua com três rotas metodológicas físico-químicas como técnicas produtivas, visando encontrar a mais economicamente viável para oferecer o know-how ao mercado.

As técnicas usadas por Zattera atuam na separação das camadas do grafite – processo chamado de esfoliação – para a obtenção de folhas de grafeno. “Um bom processo produtivo é aquele que resulta em, no máximo, de 10 a 12 folhas de grafeno, gerando um material de alta qualidade e interesse comercial”, explica. Para se ter uma ideia, um milímetro de grafite possui três milhões de camadas de grafeno.

Já o professor dos programas de pós-graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais e em Ciências da Saúde, Otávio Bianchi, trabalha com a remoção do óxido e de metais aderidos ao grafite, buscando a obtenção de grafeno de elevada pureza – o que exige várias etapas de purificação. “A grande vantagem da produção própria é o domínio da tecnologia”, ressalta, uma vez que o aumento da compreensão sobre as particularidades do material amplia as possibilidades de pesquisa aplicada. Sendo um recurso com largas perspectivas, alarga-se o caminho para geração de inovações. “Dominando o conhecimento sobre o grafeno podemos nos antecipar aos movimentos do mercado, criando soluções para as mais diferentes demandas”, aponta Bianchi.

Soluções para empresas

O professor e pesquisador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos e Tecnologias Diego Piazza atua na articulação entre os pesquisadores e empresas para que os avanços e as descobertas das pesquisas acadêmicas revertam em soluções para necessidades do mercado, contribuindo com a geração de novos negócios e de novas perspectivas para a matriz produtiva de Caxias do Sul e da região. “O grafeno tem sido visto por muitos como o combustível necessário para alavancar o desenvolvimento regional, gerando produtos inovadores. O investimento em pesquisa por parte da UCS em áreas estratégicas como a nanotecnologia contribui de forma decisiva para isso”, considera.

No ano passado, Piazza coordenou o Seminário sobre os Estudos e as Aplicações do Grafeno, promovido pela Universidade, no qual foram apresentadas ações do Parque de Ciência, Tecnologia e Inovação – TecnoUCS na área e abordados temas quanto ao uso industrial do grafeno, suas aplicações no cotidiano, as perspectivas futuras de utilização do material e como essas novas aplicações podem contribuir para a expansão da economia regional. Na mesma ocasião, foi assinado um acordo de cooperação entre a UCS e a Universidade Mackenzie, de São Paulo, para capacitação de pessoas e projetos de pesquisa avançada sobre o grafeno.

Hélice do desenvolvimento

A produção de grafeno pela UCS, expandido as possibilidades de pesquisa e abrindo caminho para o engenho de novas aplicações, é um exemplo preciso do fluxo de produção de conhecimento e geração de resultados do TecnoUCS. O passo seguinte é levar as novas descobertas e potencialidades ao mercado na forma de aperfeiçoamento ou criação de novos produtos, processos e serviços – papel o qual o parque assume como articulador entre a Universidade, o poder público e o setor empresarial. “É função do Parque de Ciência, Tecnologia e Inovação estabelecer estas conexões, levando a pesquisa de alto valor agregado e de alta tecnologia para o mercado, com aplicações práticas, promovendo o diferencial competitivo da nossa região e das nossas empresas”, destaca o coordenador-executivo do TecnoUCS, Enor Tonolli Jr.

Esta abordagem constituiu o conceito de ‘tripla hélice do desenvolvimento’, utilizado no meio do empreendedorismo e da inovação, que pode se tornar quádrupla quando ocorre a inserção da sociedade civil. “A produção de grafeno por pesquisadores da UCS demonstra a vocação inovadora que caracteriza a trajetória da instituição e que a destaca, atualmente, no cenário científico-tecnológico nacional”, define o reitor Evaldo Kuiava. “Dentro do conceito de tripla hélice, no qual a academia consta como produtora do conhecimento, ao investir em pesquisa e gerar inovação estamos cumprindo nosso papel em prol do desenvolvimento do país por meio da ciência e da tecnologia”, destaca.

Acordo prevê aplicações no setor metalmecânico

A transformação dos resultados das pesquisas da UCS sobre o grafeno em soluções para o mercado já avança para a instância de providências práticas. No dia 18 de abril, representantes da Fundação Universidade de Caxias do Sul (FUCS), da UCS, da 2D Materials (empresa com sede em Singapura que detém expertise na produção do material) e da empresa Marcopolo assinaram termo de cooperação técnico-científica com o objetivo de permitir a contratação e o desenvolvimento de pesquisas, projetos e serviços técnicos e tecnológicos em materiais avançados, especialmente o grafeno. O acordo tem validade de cinco anos.

De acordo com o pró-reitor de Pesquisa e Pós-Graduação da UCS, Juliano Rodrigues Gimenez, a cooperação permitirá o direcionamento da produção e de pesquisas sobre grafeno tomando por base possíveis aplicações para diferentes setores, entre eles o metalmecânico. “Sem dúvida é um grande passo para acelerar o aprimoramento desse campo de pesquisa na nossa instituição e para vincular essas ações com o TecnoUCS, o que estará contribuindo sobremaneira para um novo momento de desenvolvimento para a UCS e para a região como um todo”, destaca.

O convênio com a Marcopolo é o resultado de um dentre diversos movimentos de ampliação da cooperação com empresas locais e com parceiros estratégicos que contribuam com projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D), ressalta Gimenez. “O foco é trazermos a sustentabilidade para nossas ações de pesquisa, na medida em que contribuímos com o desenvolvimento das pessoas e da região, gerando novos produtos, novos processos e novos negócios. Trata-se, essencialmente, do aprimoramento e da geração de conhecimento vinculado ao desenvolvimento”, define.

As pesquisas na UCS sobre o uso do grafeno

Atualmente, a UCS conta com pesquisas na utilização do grafeno nas áreas de:

Medicina regenerativa – O pesquisador Otávio Bianchi, dos programas de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais e em Ciências da Saúde, estuda aplicações futuras do material nessas áreas. Entre as perspectivas está a criação de hidrogéis híbridos de poliuretano com grafeno, capazes de modular ambientes químicos para o crescimento celular. Isso abriria condição de uso na medicina regenerativa, contribuindo até mesmo com a recomposição de tecidos do corpo humano.

Nanotecnologia – O coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos e Tecnologias da UCS, Ademir José Zattera, e o professor e pesquisador em Energias Renováveis e Nanotecnologia do campus da UCS em Bento Gonçalves, Tiago Cassol Severo, doutorando em Microeletrônica realizam estudos utilizando nanoplaquetas de óxido de grafeno visando ao aumento da velocidade de carregamento e da capacidade de carga de dispositivos de armazenamento elétrico (baterias e supercapacitores), viabilizando maior durabilidade de uso de eletroportáteis. Cassol, com os professores Cesar Aguzzoli e Matheus Poletto, também conduz um trabalho de deposição de nanopartículas metálicas sobre grafeno e óxido de grafeno para a produção de dielétricos voltados a baterias e supercapacitores.

Tecidos inteligentes e segurança militar – Outro estudo coordenado por Zattera envolve a aplicação do grafeno em aerogéis. A ideia é desenvolver tecidos inteligentes, para a produção de dispositivos com elevada resistência ao calor. Por fim, a UCS também executa, em conjunto com o Exército brasileiro, pesquisas para a utilização de grafeno em coletes, visando à redução do peso e ao aumento da resistência a impacto dos equipamentos militares.

Revestimentos avançados – Zattera, desde 2005, e o professor e pesquisador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos e Tecnologias Diego Piazza também efetuam pesquisas com nanoestruturas de carbono aplicadas em polímeros, em especial na área de revestimentos orgânicos (como determinadas tintas). Com a introdução do grafeno, os estudos mostram o aumento de qualidade, eficiência e resistência dos revestimentos, com alta condutividade elétrica e térmica. As aplicações vão desde películas para telas touchscreen e células solares, tintas inteligentes e produtos para a absorção de óleos (que é triplicada com a adição do material).

Texto: Ariel Rossi Griffante
Fotos: Claudia Velho/UCS e Douglas de Souza Melo/Marcopolo