Cascas de amendoim transformadas em grafeno de alta tecnologia

As cascas de amendoim são geralmente vistas como um resíduo incómodo: acabam no composto ou são simplesmente queimadas. Contudo, uma equipa de investigação australiana demonstra que estas frágeis envolventes têm muito mais potencial. Podem servir como matéria-prima económica para produzir grafeno de elevada qualidade - o material de carbono ultrafino considerado revolucionário para baterias, células solares e sensores, mas cuja produção continua a ser extremamente dispendiosa.

De resíduo alimentar a material de alta tecnologia

Todos os anos, são geradas mais de dez milhões de toneladas de cascas de amendoim em todo o mundo. Trata-se de um resíduo tradicionalmente de baixo valor: pouco apelativo, raramente aproveitado e, na maioria dos casos, eliminado sem grande utilidade. É precisamente esta abundância que torna o material tão interessante para os investigadores.

A casca do amendoim é composta, em grande medida, por lignina, um polímero natural presente nas plantas. A lignina possui uma elevada proporção de carbono, o elemento que constitui a base do grafeno. Em vez de recorrerem a fontes de carbono derivadas do petróleo, como acontece habitualmente, os investigadores utilizam assim um recurso vegetal renovável.

As cascas de amendoim tornam-se numa matéria-prima surpreendentemente eficiente para o grafeno - barata, abundante e até agora pouco aproveitada.

O projecto é liderado pelo engenheiro mecânico Guan Yeoh, da Universidade de New South Wales (UNSW), na Austrália. Os resultados foram publicados na revista científica Chemical Engineering Journal Advances e tiveram repercussão internacional em portais dedicados à ciência.

Porque é o grafeno tão procurado

Há anos que o grafeno desperta o interesse de laboratórios e da indústria. Este material é formado por uma camada de átomos de carbono com a espessura de apenas um átomo, organizada numa rede semelhante a um favo de mel. Esta estrutura confere-lhe propriedades invulgares:

• conduz electricidade melhor do que o cobre;
• é extremamente resistente e suporta elevadas cargas mecânicas;
• é transparente, mas também flexível;
• pode ser combinado com outros materiais.

O reverso da medalha é que os métodos convencionais de fabrico são complexos, exigem temperaturas elevadas, matérias-primas caras e, frequentemente, químicos agressivos. Por isso, o grafeno é dispendioso e a sua utilização em produtos de grande consumo, como smartphones ou automóveis eléctricos, torna-se mais difícil.

Dois choques térmicos transformam cascas em grafeno

O método australiano baseia-se num processo de aquecimento em duas etapas, no qual a electricidade desempenha um papel central. Um aspecto decisivo é que o procedimento não requer solventes nem reagentes adicionais.

Passo 1: as cascas de amendoim tornam-se carvão rico em carbono

Primeiro, as cascas são trituradas e sujeitas a aquecimento eléctrico indirecto, ou aquecimento Joule, até cerca de 500 graus Celsius. Esta fase demora aproximadamente cinco minutos. Durante o processo, libertam-se oxigénio, hidrogénio e outros átomos estranhos. O resultado é um resíduo rico em carbono, uma espécie de carvão fino cujos anéis de carbono já apresentam uma boa organização.

Segundo Yeoh, este pré-tratamento determina a qualidade obtida mais tarde: só uma fase intermédia tão limpa e estruturada quanto possível permite formar grafeno de alta qualidade.

Passo 2: um impulso de milissegundos a 3.000 graus

Na segunda etapa ocorre o verdadeiro “milagre”: o resíduo de carbono passa por um processo designado Flash Joule Heating. Uma fase extremamente breve, mas intensa, de impulsos eléctricos eleva a temperatura para mais de 3.000 graus Celsius em poucos milissegundos.

Sob este choque térmico extremo, os átomos de carbono reorganizam-se e formam camadas de grafeno. Desde a casca até ao pó final, todo o processo demora apenas cerca de dez minutos.

O percurso entre o resíduo alimentar e o material de alta tecnologia demora apenas alguns minutos e não precisa de um único químico.

Como não há material que evapore ou seja removido por lavagem, mantém-se uma elevada proporção do carbono, o que reduz ainda mais as necessidades energéticas.

Que grafeno é produzido e para que serve

O material obtido não corresponde a uma folha única e perfeita de grafeno, mas sim ao chamado grafeno turbostrático. Isto significa que existem várias camadas de grafeno sobrepostas, embora ligeiramente rodadas e deslocadas entre si.

Para muitas aplicações concretas, esta forma pode até ser vantajosa. É mais fácil de incorporar em compósitos, ou seja, materiais mistos, e é adequada para:

• eléctrodos em baterias de iões de lítio ou de iões de sódio;
• camadas condutoras em ecrãs flexíveis e ecrãs tácteis;
• pistas condutoras em electrónica impressa;
• sensores para tecnologia médica ou monitorização ambiental;
• materiais leves de construção com maior resistência.

Para aplicações extremamente exigentes, como a investigação fundamental ou componentes quânticos específicos, o grafeno turbostrático poderá não ser suficiente. Já para produtos industriais de grande escala, poderá proporcionar o equilíbrio adequado entre desempenho e custos.

Factor custo: grafeno pelo preço energético de uma chávena de café

Os custos energéticos calculados são particularmente impressionantes: os investigadores estimam cerca de 1,30 dólares americanos de energia para produzir um quilograma de grafeno. Convertido, equivale a aproximadamente 1,10 euros - e corresponde apenas à energia, sem incluir instalações e mão-de-obra.

A utilização económica de energia poderá, sobretudo, abrir caminho a uma utilização mais alargada. Até agora, o grafeno tem permanecido maioritariamente reservado a projectos especializados. Se a barreira dos custos baixar, fabricantes de baterias, células solares ou equipamentos electrónicos poderão trabalhar com este material numa escala muito superior.

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

O processo ainda decorre à escala laboratorial. Os investigadores pretendem agora desenvolver instalações-piloto capazes de processar volumes substancialmente maiores. O objectivo é construir, dentro de três a quatro anos, um protótipo industrial que produza grafeno continuamente a partir de resíduos agrícolas.

Para esse efeito, estão também a testar outras fontes de biomassa com elevado teor de lignina. A atenção centra-se sobretudo em:

• borras de café secas provenientes da restauração e das habitações;
• cascas de banana do comércio alimentar;
• outros resíduos vegetais com elevada densidade de carbono.

Se esta expansão resultar, poderá surgir uma cadeia de valor inteiramente nova: bio-resíduos actualmente considerados sem valor passam a ser recursos industriais de elevado valor.

O que isto pode significar para a tecnologia do quotidiano

Para os consumidores, a ideia parece quase absurda: as cascas dos amendoins consumidos numa noite em frente à televisão acabam indirectamente em baterias, ecrãs ou sensores. É precisamente este o cenário de longo prazo traçado pela equipa.

O grafeno já reforça materiais de eléctrodos em protótipos de baterias. Se passar a existir grafeno económico proveniente de biomassa, os fabricantes poderão:

• desenvolver baterias mais potentes e duradouras;
• fabricar ecrãs mais finos, flexíveis e resistentes;
• aplicar componentes leves e condutores na construção automóvel e aeronáutica;
• tornar os sensores médicos ainda mais sensíveis e mais pequenos.

A rapidez com que estes produtos chegarão ao mercado dependerá da capacidade de garantir uma produção fiável, estável e com qualidade industrial. A consistência da qualidade do material será especialmente importante, por exemplo, para a segurança e a vida útil das baterias.

O que significam termos como lignina e Flash Heating

Muitas pessoas conhecem a lignina apenas de forma indirecta: é ela que dá rigidez à madeira e estabilidade aos caules das plantas. Na indústria do papel, é geralmente considerada um elemento indesejado e acaba como resíduo; neste caso, transforma-se numa valiosa fonte de carbono. A elevada proporção deste elemento facilita a formação das estruturas de grafeno.

Por sua vez, Flash Joule Heating descreve um aquecimento eléctrico extremamente rápido. Em vez de aquecer lentamente um material num forno, faz-se passar através dele um impulso eléctrico curto e potente. A resistência do próprio material converte directamente essa energia em calor, como se fosse um choque térmico eléctrico. Como o impulso é tão breve, a temperatura sobe enormemente sem que todo o sistema arrefeça ou derreta.

É precisamente esta combinação entre uma base orgânica e um choque térmico eléctrico que torna o processo tão interessante: reúne valorização de resíduos, eficiência energética e nanotecnologia num único método.