Cascas de amendoim transformam-se em grafeno barato na Austrália

Uma equipa de investigação australiana conseguiu transformar cascas de amendoim, até aqui sem utilidade, num material de grafeno de elevado valor. O método dispensa substâncias químicas tóxicas, consome pouca energia e poderá alterar significativamente a produção, até agora extremamente dispendiosa, do «material milagroso» grafeno.

De resíduo a matéria-prima de alta tecnologia

Em todo o mundo, são geradas anualmente mais de dez milhões de toneladas de cascas de amendoim. Uma parte considerável acaba em aterros ou é utilizada como aditivo de baixo valor no composto e na alimentação animal. Esta utilização tem pouco interesse económico e também está longe de ser uma solução ambiental exemplar.

É precisamente neste ponto que intervém a equipa liderada por Guan Yeoh, engenheiro mecânico da University of New South Wales (UNSW), em Sydney. Os investigadores procuraram perceber se seria possível converter este material aparentemente sem valor em algo valioso, de uma forma que fizesse sentido tanto do ponto de vista energético como ambiental.

A resposta é afirmativa. A casca rígida do amendoim contém uma elevada proporção de lenhina, um polímero vegetal composto, em grande medida, por carbono - o mesmo elemento que constitui a base do grafeno.

Um resíduo agrícola de difícil aproveitamento pode tornar-se uma potencial matéria-prima essencial para a indústria eletrónica, através de um processo simples e rápido.

Porque é que o grafeno é tão procurado

Há anos que o grafeno entusiasma laboratórios em todo o mundo. É formado por uma única camada de átomos de carbono organizada numa rede semelhante a um favo de mel. Embora a descrição pareça pouco impressionante, as suas propriedades são excecionais:

• É mais resistente do que o aço, apesar de pesar muito pouco.
• Conduz eletricidade melhor do que o cobre.
• É flexível e quase transparente.

Apesar de todo o seu potencial, o grafeno continua a ser pouco comum em produtos do quotidiano. A explicação está no fabrico: os processos são complexos, demorados e, por isso, caros. Muitos recorrem a derivados de petróleo ou a químicos agressivos, além de exigirem muita energia. É precisamente esta limitação que o novo método baseado em cascas de amendoim pretende resolver.

Choque térmico em duas etapas: grafeno a partir de cascas de amendoim

O processo desenvolvido pelos investigadores da UNSW assenta em duas fases de aquecimento bem distintas. Não exige solventes nem reagentes e fica concluído em apenas alguns minutos.

Etapa 1: pré-tratamento a 500 graus

Primeiro, as cascas de amendoim são secas e moídas até se obter um pó fino. Esse pó é depois aquecido a cerca de 500 °C por aquecimento Joule indireto. Ou seja, uma corrente elétrica aquece um material circundante, que transmite o calor às cascas.

Durante esta fase, que demora aproximadamente cinco minutos, evaporam a água, o oxigénio, o hidrogénio e outros componentes voláteis. O que sobra é uma espécie de biocarvão: um resíduo rico em carbono, com muitos anéis aromáticos e, portanto, estruturas de carbono já relativamente organizadas.

Esta preparação é determinante. Yeoh salienta que, sem uma fase inicial bem executada, o grafeno final apresenta muito mais defeitos. Assim, o produto intermédio influencia de forma decisiva a qualidade do material obtido no final.

Etapa 2: impulso térmico ultracurto acima de 3.000 graus

Na segunda etapa, a equipa utiliza o chamado «aquecimento Joule instantâneo». Um impulso elétrico súbito e intenso faz a temperatura ultrapassar os 3.000 °C durante apenas alguns milissegundos.

Sob este choque térmico extremo, os átomos de carbono reorganizam-se. O biocarvão transforma-se em camadas de grafeno, empilhadas em pacotes finos e parcialmente desordenados. Esta configuração recebe o nome de «grafeno turbostrático».

Todo o procedimento, desde o aquecimento do pó até à obtenção do material de grafeno, demora cerca de dez minutos. Não são necessários químicos: apenas eletricidade e a matéria orgânica de partida.

Dois «clarões» de calor, dez minutos de processamento e zero solventes: o método foi claramente pensado para uma produção à escala industrial.

Grafeno turbostrático: menos perfeito, mas muito útil

O grafeno turbostrático não corresponde à folha única e impecável habitualmente ilustrada nos manuais. Em vez disso, várias camadas de grafeno ficam sobrepostas de forma solta e ligeiramente rodada. Para os físicos dedicados à investigação fundamental, pode parecer uma estrutura menos elegante; para a integração em dispositivos, porém, é uma solução muito eficaz.

Com efeito, muitas utilizações tiram mais partido de diversas camadas finas do que de uma monocamada perfeita. Entre as aplicações possíveis encontram-se:

• Elétrodos para baterias de iões de lítio e de iões de sódio
• Camadas condutoras em células solares flexíveis
• Elétrodos transparentes para ecrãs tácteis
• Sensores para tecnologia médica, por exemplo para sinais biológicos

Nestes domínios, a condutividade, a estabilidade mecânica e a facilidade de processamento são mais relevantes do que a perfeição à escala atómica. É exatamente aí que o grafeno produzido a partir de cascas de amendoim pode destacar-se.

Fator custo: um quilograma de grafeno por pouco mais de um euro em energia

Os custos energéticos constituem um argumento decisivo. Segundo os cálculos da equipa, fabricar um quilograma de grafeno através do processo das cascas de amendoim requer eletricidade no valor de cerca de 1,30 dólares norte-americanos, ou seja, aproximadamente 1,10 euros.

Em comparação, os métodos convencionais - que tratam grafite com químicos ou depositam o material a partir da fase gasosa - têm custos muito superiores e recorrem frequentemente a matérias-primas fósseis. Acrescem ainda os custos de eliminação dos resíduos tóxicos.

Se estes valores forem confirmados à escala industrial, o grafeno poderá passar a integrar produtos com uma naturalidade semelhante à do alumínio ou do cobre: menos exclusivo e aplicável numa gama muito mais ampla de utilizações.

Mais do que amendoins: cascas de banana e borras de café sob estudo

Os investigadores não tencionam limitar-se às cascas de amendoim. Estão previstos ensaios com outros resíduos ricos em lenhina ou em componentes com carbono, tais como:

• Borras de café de cafés e torrefações
• Cascas e talos de bananas
• Resíduos de madeira da exploração florestal

A visão passa por transformar toda uma categoria de subprodutos agrícolas em fontes de matérias-primas para materiais de alta tecnologia. Além de baixar custos, esta possibilidade poderia criar novos modelos de negócio em zonas rurais, incluindo instalações regionais de recolha e processamento.

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

Por enquanto, o processo decorre à escala laboratorial. As quantidades produzidas situam-se entre gramas e quilogramas, longe das toneladas de uma fábrica em funcionamento. Yeoh e a sua equipa estimam que poderão construir as primeiras instalações industriais de protótipo dentro de três a quatro anos.

Para isso, será necessário ultrapassar vários obstáculos. A tecnologia de aquecimento instantâneo terá de ser aplicada de forma segura e uniforme a volumes maiores; o fornecimento de eletricidade deverá manter-se estável; e a qualidade do grafeno terá de ser consistente. Paralelamente, importa determinar a melhor forma de integrar o material em linhas de produção existentes, por exemplo de células de baterias ou ecrãs.

Oportunidades, riscos e impacto para os consumidores

Do ponto de vista ambiental e climático, a proposta parece atrativa: um fluxo de resíduos é valorizado, as matérias-primas fósseis e os químicos tóxicos deixam de ser necessários e o consumo energético diminui. A pegada de CO₂ poderá ser claramente melhor do que a dos métodos tradicionais, sobretudo se a eletricidade tiver origem em fontes renováveis.

Os riscos estão menos no próprio material - o grafeno já é usado atualmente em projetos-piloto - e mais no desafio da produção em grande escala. Se a procura de mercado crescer, poderão passar a ser necessárias grandes quantidades de resíduos orgânicos. Nesse cenário, coloca-se a questão de saber se os agricultores venderão apenas resíduos ou se serão criadas novas áreas agrícolas para as culturas correspondentes. Em algumas regiões, isso poderia entrar em concorrência com a produção alimentar.

Para os consumidores, a mudança tornar-se-á visível de forma gradual. Ninguém irá comprar numa loja de eletrónica um «smartphone de cascas de amendoim». É mais provável que os dispositivos durem mais tempo, que as baterias carreguem mais depressa e suportem mais ciclos, ou que as células solares se tornem mais finas e flexíveis. A origem do material continuará a ser apenas um detalhe na ficha técnica, embora com uma história bastante interessante.

Há ainda um aspeto frequentemente ignorado: processos deste tipo podem combinar-se bem com sistemas de energia descentralizados. Em regiões com abundância de eletricidade solar, pequenas instalações poderiam converter localmente resíduos em grafeno. O valor criado permaneceria na região, as distâncias de transporte seriam menores e o material de alta tecnologia seria produzido longe dos polos industriais tradicionais.

O caminho até lá continua a ser longo, mas a mensagem vinda da Austrália é clara: o simples ato de partir um amendoim poderá abrir uma nova via de abastecimento para a indústria eletrónica - mais limpa, mais barata e mais próxima dos campos do que das refinarias de petróleo.