O ESTUDO SOBRE MACROMOLÉCULAS, FULERENOS, NANOTUBOS DE CARBONO E GRAFENO

ESTUDO SOBRE MACROMOLÉCULAS, FULERENOS, NANOTUBOS DE CARBONO E GRAFENO

Macromoléculas são moléculas orgânicas grandes, elas possuem uma elevada massa molecular, podem ser formadas por mais de um elemento e apresentam na maioria das vezes subunidades moleculares repetidas, levando o nome de polímero. Elas estão presentes no ramo da nanotecnologia, onde é possível manipular facilmente os átomos, dando origem à estruturas moleculares mais extensas, usando principalmente o carbono. (FOGAÇA, 2019)

Os fulerenos são formas alotrópicas de carbono que possuem 20 a 540 átomos de carbono, sendo a molécula de 60 átomos do elemento a mais popular e utilizada, sendo a terceira forma mais estável do carbono. Sua forma lembra um domo geodésico composta por pentágonos e hexágonos, unidos por ligações sp2 extremamente fortes, podendo resistir até 20 vezes mais que uma ligação de aço de alta resistência.

Eles são utilizados para aumentar a resistência em ligas de alumínio, existem estudos que estão explorando seu uso dentro da área da medicina e da bioquímica. Muitos fulerenos foram encontrados com átomos presos no espaço vazio no centro de sua estrutura, principalmente metais (ROCHA FILHO, 1996). Esses átomos apresentavam uma estabilidade fora do comum e algumas vezes o fulereno apresentava características magnéticas. Atualmente é estudado uma maneira de criar aberturas na estrutura e injetar átomos em seu interior, a empresa Komatsu conseguiu fazer uma abertura do tamanho de 13 membros do anel, por onde foi introduzida uma molécula de hidrogênio. Sua área de aplicabilidade é bastante ampla, funcionando principalmente como um transportador devido a sua estrutura de gaiola, podendo ser usados na área medicinal contra o câncer e a aids, encarcerando o ativo quimioterápico e apenas liberando ao entrar em contato com a célula alvo. Agem como limitadores ópticos, impedindo danificações mediante raios solares (SANTOS, 2007).

Outra macromolécula formada com o carbono é o popular grafeno. Considerado o material mais fino do mundo ele possui uma camada bidimensional de átomos de carbono que da a forma de um hexágono à estrutura. Suas principais características são a sua resistência mecânica, leveza, elasticidade e a condutividade térmica e elétrica, considerado o material mais forte conhecido pelo homem. (ALMEIDA, 2016)

Devido a suas características, o grafeno possui uma vasta área em que pode ser utilizado, sendo a indústria de eletrônicos a principal. Com taxa de resposta extremamente curtas ele pode ampliar a velocidade das conexões em telecomunicações em até 100 vezes, visto que, as transmissões de informação são processadas por dispositivos que utilizam fótons para fazer o processo e switches ópticos para a conversão em impulso de luz, respondendo em alguns picosegundos (10-12 segundos). Na área dos chips, o atual material utilizado é o silício, ele conta com capacidade de operação de 5 GHz, o grafeno pode aumentar esse potencial em 1000 vezes. (IBM, 2015)

O grafeno pode ser utilizado para o aperfeiçoamento das baterias de lítio, substituindo os eletrodos de grafite. Com sua área de superfície maior que o grafite, o grafeno consegue armazenar uma quantidade maior de íons de lítio, aumentando o ciclo de recarga da bateria e sua vida útil (ORTIZ, 2018). No meio ambiente seu uso está em fase embrionária, algumas aplicações estão sendo feitas no processo de purificação da água por filtros e membranas.

Ao ser enrolado, o grafeno toma forma de um cilindro chamado de nanotubos carbono, eles possuem algumas propriedades um pouco diferentes de uma folha de grafeno comum. Os nanotubos de carbono podem ser de parede simples (um nanotubo) ou de paredes múltiplas (vários nanotubos enrolados juntos). A estrutura pode ser em armchair, zigue-zague ou quiral, dependendo como eles se fecham. Isso influencia em condução elétrica do nanotubo, sendo o armchair condutor e os demais condutores ou semicondutores. (MARTINEZ, et al, 2013)

Muitas vezes uma folha de grafeno não supre a necessidade da situação, nesses casos são utilizados os nanotubos de carbono. Por contarem com características parecidas e sua estrutura cilíndrica, são utilizados nas mesmas áreas que o grafeno, podendo ter suas extremidades abertas ou fechadas, pode ser manipulado várias formas diferentes. Utilizado principalmente no desenvolvimento da indústria eletrônica, tendo como foco a utilização em transistores, transmissão e conservação de energia e memorias de computador e em membranas e filtros agindo como catalizadores de água para purificação (MACHADO, et al, 2010). Também são utilizados na indústria têxtil como agentes antimicrobianos e aumentando a resistência da peça. Na engenharia civil, o nanotubo de carbono é utilizado para reforçar o cimento da construção, gerando resistência de até MPa e baixa porosidade. (SANTOS,2011)

Alguns estudos sobre a utilização dos nanotubos de carbono na biotecnologia estão em andamento, como sensores biológicos que podem detectar quantidades pequenas de substâncias, como por exemplo o monitoramento da glicose através da interação do peróxido de hidrogênio com os grupos de ferrocianeto das paredes do nanotubo. Podem ser usados também na engenharia de tecidos, biocompósitos e transfecção genética. (BIOTEC, 2018)

Infelizmente essas tecnologias ainda possuem um custo muito elevado para o publico em geral, visto que é um material relativamente novo, não existem métodos muito eficazes de obtenção do grafeno, sendo os quatro principais: esfoliação em fase líquida, método de deposição química da fase vapor (CVD), esfoliação micromecânica e crescimento de grafeno epitaxial em SiC (NASCIMENTO, 2012). A esfoliação na fase liquida consiste em quebrar as interações moleculares das camadas do grafeno, utilizando reagentes entre as camadas que degradam a estrutura sp² para uma de sp² -sp³ (SOLDANO; MAHMOOD; DUJARDIN, 2010). O CVD utiliza o substrato de cobre que forma ligação fracas com o carbono e é estável. É necessário um gás carbonáceo para o processo, um forno é utilizado para aquecer o gás em baixa pressão aderindo ao cobre. É possivelmente o método mais viável em larga escala de produção. O método mais simples é o de esfoliação micromecânica, que é simplesmente colocar uma fita no grafite e retirar. Para retirar a cola do grafeno, a fita é aquecida com argônio e hidrogênio. O último método de obtenção seria através do carbeto de silício, mais especificamente, em sua superfície. O carbeto é aquecido em um forno contendo argônio, as temperaturas variam entre 1500°C a 2000°C, ocorrendo o substrato do carbeto, o grafeno se aglomera na superfície da peça.