Cascas de amendoim viram grafeno na Austrália em poucos minutos

As cascas de amendoim costumam acabar no lixo ou no compostor. Na Austrália, porém, passaram a ser matéria-prima para um dos materiais mais entusiasmantes da actualidade: o grafeno. Uma equipa de investigação demonstra como 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 é que toda a gente fala de grafeno - e quase ninguém o consegue pagar

Há anos que o grafeno é tratado como uma estrela na ciência dos materiais. Trata-se de uma única camada de átomos de carbono dispostos num padrão semelhante a um favo de mel. Essa geometria é a base de características pouco comuns:

• mais resistente do que o aço com um peso mínimo
• mais condutor do que o cobre
• extremamente fino e flexível
• quimicamente estável e duradouro

Apesar das vantagens, o grafeno continua longe do uso generalizado. As formas tradicionais de o produzir tendem a ser complexas, lentas e muito intensivas em energia. Resultado: os preços mantêm-se elevados e, para várias aplicações em electrónica, armazenamento de energia ou medicina, simplesmente deixa de compensar.

"O grafeno é cobiçado como um diamante em bruto, mas até agora tem sido tratado quase como se fosse ouro - caro, raro, difícil de aceder."

É precisamente aqui que entra a equipa liderada pelo engenheiro mecânico Guan Yeoh, da Universidade de New South Wales (UNSW), em Sydney. O objectivo era claro: criar um método que partisse de biomassa barata, exigisse pouquíssimos químicos e fosse tecnicamente escalável.

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

Todos os anos, surgem em todo o mundo mais de dez milhões de toneladas de cascas de amendoim. São o retrato típico do resíduo agrícola: volumosas, de baixo valor e difíceis de aproveitar de forma interessante. Na prática, acabam muitas vezes em aterro, são queimadas ou transformadas em produtos de baixo valor.

Para os investigadores, no entanto, estas cascas são valiosas por causa da sua composição. A estrutura é rica em lenhina, um componente vegetal com elevado teor de carbono - e o carbono é exactamente o elemento estrutural essencial para formar grafeno.

Em vez de recorrer, como é habitual, a fontes de carbono ligadas ao petróleo, a equipa australiana escolhe assim um recurso renovável que já existe em grandes quantidades. O estudo foi publicado na revista Chemical Engineering Journal Advances, e portais especializados como o ScienceAlert já o destacaram.

Porque é que tentativas anteriores com biomassa falharam

A proposta de transformar biomassa em grafeno não é nova; tem circulado há vários anos. O problema é que muitos desses métodos geraram material de qualidade inferior. A organização dos átomos de carbono saía frequentemente com demasiados defeitos, reduzindo de forma acentuada a condutividade e a estabilidade.

A equipa de Yeoh apontou um ponto fraco recorrente nessas abordagens: a preparação do material de partida. Sem um pré-tratamento rigoroso, permanecem impurezas e estruturas desordenadas - e esse “erro de base” torna-se difícil de corrigir mais tarde.

Dois choques térmicos em sequência: como o grafeno aparece em minutos

O novo procedimento resolve esse problema logo no início e assenta, no essencial, em duas etapas de aquecimento que decorrem a uma velocidade pouco comum.

Passo 1: “arranque” a 500 graus

Primeiro, as cascas de amendoim são trituradas e aquecidas até cerca de 500 graus Celsius. O calor é gerado de forma indirecta através de corrente eléctrica (aquecimento de Joule) e actua durante aproximadamente cinco minutos.

Nesta etapa, são libertados oxigénio, hidrogénio e outras impurezas. O que fica é um resíduo rico em carbono, já com estruturas relativamente organizadas, comparável a um tipo específico de biocoke.

"A qualidade deste produto intermédio determina a qualidade do grafeno final - é nisso que a equipa assenta o sucesso do processo."

Passo 2: calor-relâmpago acima de 3.000 graus

A segunda fase submete o material a um verdadeiro choque de temperatura. Uma breve descarga eléctrica eleva a temperatura, em milissegundos, para mais de 3.000 graus Celsius. Este fenómeno, conhecido como “Flash Joule heating”, força uma reorganização dos átomos de carbono.

Sob esta exposição extrema - mas muito curta - formam-se poucas camadas, pouco alinhadas entre si, criando o chamado grafeno turbostático. As folhas não ficam empilhadas de forma perfeitamente ordenada, o que, em muitos usos, pode até ser uma vantagem, por exemplo em baterias ou em revestimentos condutores.

Do material triturado até ao grafeno, todo o processo leva apenas cerca de dez minutos. Não são utilizados solventes químicos nem reagentes adicionais.

Baixos custos de energia e grande expectativa para a indústria

O ponto talvez mais impressionante são os custos energéticos calculados: segundo a equipa, bastam cerca de 1,30 US-Dollar em energia para produzir um quilograma de grafeno. Em conversão, o valor fica pouco acima de um euro.

Em contraste, os métodos clássicos operam, consoante a técnica, noutras ordens de grandeza - tanto em custo como em consumo energético. Uma redução desta dimensão tem potencial para mexer de forma significativa com o mercado.

• O grafeno passaria a ser mais apelativo para fabricantes de baterias.
• Empresas de electrónica poderiam planear áreas maiores de camadas condutoras.
• Sensores médicos poderiam ser produzidos a menor custo e em maiores volumes.
• Revestimentos industriais poderiam tornar-se mais resistentes e, ao mesmo tempo, mais leves.

Há ainda um benefício adicional: o método dispensa químicos tóxicos. Em muitas rotas de síntese convencionais, recorre-se a solventes, ácidos ou catalisadores que exigem eliminação complexa e podem dificultar processos de licenciamento de instalações.

Do laboratório para a fábrica: quando o uso em massa se torna realista

Por agora, o processo está ainda em escala laboratorial. A próxima etapa passa por construir unidades-piloto capazes de tratar volumes muito maiores. O horizonte indicado é de cerca de três a quatro anos, altura em que deverão existir os primeiros protótipos industriais.

Em paralelo, a equipa está a experimentar outras matérias-primas. Entre as mais promissoras estão:

• borras de café de cafés e torrefacções
• cascas de banana de supermercados e cozinhas industriais
• outras partes de plantas ricas em lenhina provenientes da agricultura e da indústria alimentar

Desta forma, um problema de eliminação pode transformar-se num recurso. Agricultores, comerciantes e unidades de processamento ganhariam novas vias para escoar resíduos orgânicos.

O que significa “grafeno turbostático” - e para que serve

O termo turbostático parece altamente técnico, mas descreve essencialmente a forma como as camadas se dispõem. Em vez de uma folha única e “perfeita”, obtêm-se algumas camadas ligeiramente rodadas e desalinhadas umas sobre as outras.

Para chips de altíssima precisão, esta arquitectura é menos adequada; para muitas outras áreas, é mais do que suficiente. Torna-se particularmente relevante para:

• armazenamento de energia, como baterias de iões de lítio e futuras baterias de iões de sódio
• células solares de película fina com eléctrodos transparentes e condutores
• ecrãs tácteis e displays flexíveis
• compósitos leves para as indústrias automóvel e aeronáutica
• biossensores que captam sinais eléctricos mínimos no corpo

A organização ligeiramente desordenada facilita a entrada de iões e moléculas entre as camadas - um ponto a favor em baterias e supercondensadores. Ao mesmo tempo, a elevada condutividade mantém-se, em grande medida.

Oportunidades, riscos e perguntas em aberto

Por mais atractivo que seja, o método ainda tem questões por resolver. Será possível manter a mesma consistência de qualidade quando se passar para uma escala de toneladas? Até que ponto os equipamentos resistem, de forma fiável, a saltos de temperatura tão extremos? E quão bem se integra o processo em parques industriais existentes, por exemplo junto de unidades de transformação de amendoim ou de torrefacções?

Também vale a pena olhar com atenção para o impacto ambiental. Apesar de eliminar muitos químicos, as temperaturas elevadas exigem fontes de electricidade eficientes - idealmente com origem em energias renováveis. Caso contrário, parte da vantagem ecológica pode perder-se.

Ainda assim, o projecto coloca em cima da mesa um cenário concreto: resíduos agrícolas transformados em matéria-prima para materiais de alta tecnologia. Quem hoje deita fora cascas de amendoim sem pensar poderá, dentro de alguns anos, estar indirectamente ligado ao abastecimento de fabricantes de smartphones, fábricas de baterias ou produtores de módulos solares.

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

---