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ANTIMATÉRIA: O INVERSO DA MATÉRIA

A antimatéria é o inverso da matéria. As antipartículas possuem as mesmas características das partículas elementares, mas apresentam carga elétrica oposta.

Literalmente, a antimatéria é o inverso da matéria. Cada partícula elementar que conhecemos possui uma partícula oposta que apresenta exatamente as mesmas características, exceto a carga elétrica, que é o inverso. O pósitron, por exemplo, é a antimatéria do elétron, portanto, possui a mesma massa, mesma rotação, mesmo tamanho, mas carga elétrica de sinal oposto.

A antimatéria não é produzida naturalmente na Terra. Tudo o que se sabe sobre essas antipartículas vem de experiências realizadas em aceleradores de partículas, que apresentam antipartículas como produto. A dificuldade de produzir e analisar esses materiais está no fato de que, no encontro da matéria com a antimatéria, sempre ocorre aniquilação, isto é, uma destrói a outra, e o resultado é uma grande quantidade de energia.

Em 1928, o físico britânico Paul Andrien M. Dirac revisou a equação da equivalência entre massa e energia proposta por Einstein e propôs que a massa deveria ser considerada com valores positivos e negativos. A proposta de Dirac permitiu considerar a possibilidade da existência de antimatéria.

Em 1932, Carl Anderson detectou a presença de elétrons positivos durante um experimento com raios cósmicos. O antielétron detectado foi chamado de pósitron e tem as mesmas características do elétron, mas apresenta carga elétrica de sinal positivo.

Em 1955, cientistas criaram o antipróton por meio de um acelerador de partículas. Desde então, os estudos relacionados com antimatéria vêm revelando antipartículas de nêutrons, quarks, léptons etc.

De forma prática, podemos citar o exame PET scan, que utiliza a emissão de pósitrons para formação de imagens tridimensionais usadas na detecção de tumores. Os elétrons do corpo humano sofrem aniquilação ao se depararem com pósitrons emitidos por uma determinada substância. O produto da aniquilação é a geração de radiação gama, que é utilizada para a formação de imagens 3D.

A aniquilação em larga escala existente no encontro de partículas e antipartículas pode gerar quantidades exorbitantes de energia. Uma quantidade de 10 quilos de antimatéria pode gerar a energia correspondente a seis anos de pleno funcionamento da Usina de Itaipu! O rendimento de 1 g de antimatéria em um carro teria uma autonomia aproximada de 10 mil quilômetros.

As forças armadas norte-americanas desenvolvem pesquisas para a criação de bombas feitas com antimatéria. A aniquilação gerada pelo contato da matéria com a antimatéria das bombas poderia gerar explosões com potencial destrutivo muito maior que o das ogivas nucleares.

As distâncias que nos separam de determinados corpos celestes no espaço tornam inviáveis quaisquer tentativas de aproximação. Uma viagem até a estrela Alpha Centauri, por exemplo, estrela que, depois do Sol, é a mais próxima da Terra, levaria cerca de 80 mil anos com as tecnologias atuais. Se as naves espaciais fossem movidas por antimatéria, o tempo dessa viagem seria significativamente reduzido, o que poderia tornar o “passeio” totalmente viável.

Ao acelerar átomos a altíssimas velocidades com um acelerador de partículas, elas podem ser colididas com um determinado alvo. As antipartículas resultam dessa colisão e são separadas pela ação de campos magnéticos. O armazenamento desses elementos é feito em uma espécie de garrafa magnética, que impede que a antimatéria entre em contato com a matéria, o que poderia ocasionar aniquilação e destruição das antipartículas. Por ano, apenas um trilionésimo de grama de antiprótons é produzido.

Fonte: JúNIOR, Joab Silas Da Silva. "O que é antimatéria?"; Brasil Escola.

EFEITO DO HÉLIO SUPERFLUIDO: A CAPACIDADE VIBRACIONAL CONSTANTE NO ZERO ABSOLUTO

A superfluidez decorre de regras contra intuitivas da mecânica quântica. E, ao contrário de outros fenômenos quânticos, o comportamento estranho do hélio superfluido é visível a olho nu.

Se você resfriar hélio líquido, por exemplo, a alguns graus abaixo do seu ponto de ebulição, de –269º C, ele bruscamente assume características diferentes de outros fluidos, como escorrer por micro rachaduras da espessura de moléculas, escalar as bordas de um recipiente até transbordar e permanecer imóvel enquanto o recipiente gira.

O hélio neste estado deixa de ser um simples líquido e se transforma em um superfluido – um líquido que flui sem atrito. “Se girarmos uma xícara até que o líquido nela contido passe a girar, você verá que alguns minutos depois, ele parou de se mover”, explica John Beamish, físico experimental da University of Alberta, em Edmonton, Canadá. Os átomos do líquido colidem uns com os outros e se desaceleraram, “mas se isso for feito com hélio a baixas temperaturas, um milhão de anos mais tarde ele ainda estará se movendo”.

As primeiras evidências desse comportamento do hélio foram observadas em 1911 pelo físico holandês, Heike Kamerlingh Onnes, premio Nobel de física em 1913 e um mestre da refrigeração. Ele foi o primeiro a liquefazer o hélio. Onnes descobriu que esse elemento passa a ser um bom condutor de calor abaixo de –270,92º C, temperatura também conhecida como o ponto lambda.,Somente em 1938 o físico russo Pyotr Kapitsa e, de forma independente, os britânicos John Allen e Don Misener, mediram a velocidade do fluxo de hélio abaixo dessa temperatura usando dois discos de vidro adaptados a um tubo de sucção e a um tubo fino de vidro. A viscosidade observada foi tão baixa que Kapitsa, vencedor do prêmio Nobel em 1978 por esse trabalho, o batizou de “superfluido” – inspirado em “supercondutor”, o termo para um material bom condutor de corrente elétrica com baixa resistência.

Esse efeito se baseia na capacidade única do hélio de permanecer líquido até o zero absoluto (–273,15º C), a temperatura em que os átomos, em princípio, se imobilizam.

Quando a maioria dos líquidos é resfriada, a pequena atração entre os átomos no fluido finalmente supera as vibrações térmicas e as partículas se acomodam num padrão regular, ou seja, um sólido. Entretanto, os átomos de hélio são tão leves e fracamente atraídos por outros que, mesmo quando os movimentos atômicos comuns cessam, os átomos vibram com o movimento do ponto zero, um leve momentum imposto pelo princípio da incerteza da mecânica quântica; por isso, eles nunca formam um sólido.

O fato de o hélio continuar no estado líquido a baixas temperaturas o permite realizar uma transformação chamada condensação de Bose-Einstein, na qual as partículas individuais se agregam até exibirem um comportamento coletivo como uma única partícula. Átomos que se comportem como um condensado de Bose-Einstein perdem suas características individuais.

Normalmente o hélio superfluido é considerado como uma mistura de dois fluidos, um comum e um superfluido. Experimentos diferentes evidenciam as características contrastantes dos dois componentes. O experimento mais simples é observar um recipiente cheio de hélio líquido começar a transbordar enquanto o hélio é resfriado a temperaturas abaixo do ponto lambda. A componente superfluida começa a escorrer pelas frestas microscópicas onde a componente líquida normal não pode penetrar, gerando os supervazamentos.,À medida que a temperatura diminui, a componente superfluida começa a ter maior participação na mistura. Pesquisadores mediram a proporção entre as duas componentes inserindo uma amostra em um recipiente metálico suspenso por um fio. Ao girar o fio, o cilindro começa a rodar em um sentido e depois no outro. Mas apenas a componente normal gira junto com o cilindro, devido ao atrito entre ela e as paredes do cilindro. A componente superfluida resiste ao movimento do fluido normal e permanece imóvel. À medida que a porção superfluida aumenta, o cilindro gira mais rápido, como se estivesse perdendo peso, ou inércia.

A natureza dupla do hélio superfluido pode ser observada também quando escala as paredes de um recipiente. Um líquido comum é limitado pelas paredes do recipiente que o contem, graças à pequena atração entre os átomos, mas o atrito interno do líquido define até onde o líquido pode se espalhar. No hélio superfluido, a película – na qual não há atrito – recobre o recipiente inteiro, delimitando um volume onde o superfluido pode escoar.

Fonte: Scientific American Brasil

A TEORIA DAS CORDAS..VIBRAÇÃO UNIVERSAL

A Teoria das Cordas é uma tentativa de unificar a Teoria da Relatividade e a Mecânica quântica. Ela afirma que todas as partículas do universo são formadas por cordas.

O século XX foi extremamente marcante para o desenvolvimento da ciência e para a compreensão sobre a composição do universo. Isso ocorreu graças ao desenvolvimento das teorias mais completas já criadas para descrever a estrutura do universo: A relatividade geral, de Albert Einstein, e a Física Quântica.

Apesar do sucesso dessas teorias, elas deixaram algumas questões em aberto. Primeiramente, a Relatividade Geral não consegue explicar a teoria do Big Bang nem o comportamento dos buracos negros. Em segundo lugar, a Física Quântica não oferece uma explicação satisfatória para a gravitação.

A Teoria das Cordas foi desenvolvida na tentativa de unificar essas duas principais teorias da Física Moderna. Ela começou a ser desenvolvida em 1919, por Theodor Kaluza, e continua evoluindo. A última inovação foi proposta por Edward Witten entre 1994 e 1997.

O que é a Teoria das Cordas?

Se você observar um deserto, em certa altura, o que você verá será um espaço contínuo cuja cor dependerá da coloração da areia que o compõe. Mas se você chegar perto desse deserto, verá que ele é formado por minúsculos grãos de areia. Esses grãos, por sua vez, são constituídos por partículas ainda menores que são invisíveis a olho nu: os átomos. Estes têm sua estrutura formada por elétrons, prótons e nêutrons. Os prótons e nêutrons formam-se de partículas elementares chamadas de quarks. É até esse ponto que vai a Física convencional. A Teoria das Cordas vai um pouco mais além.

De acordo com a Teoria das Cordas, os quarks são formados por pequenos filamentos de energia semelhantes a pequenas cordas vibrantes, daí o nome dado à teoria. Essas cordas estariam vibrando em diferentes padrões, com frequências distintas, produzindo as diferentes partículas que compõem o nosso mundo. Observe o esquema da figura a seguir:

Para facilitar a compreensão, podemos fazer uma analogia entre essas cordas e as cordas de um violão: da mesma forma que as diferentes vibrações das cordas de violão produzem sons diferentes, as vibrações desses pequenos filamentos de energia produzem partículas diferentes.

Ao afirmar que tudo que forma o universo é constituído de uma única forma, a teoria das cordas consegue unificar todas as teorias da Física. Já que todas as partículas que formam a matéria são formadas por apenas uma entidade, todas elas podem ser explicadas por apenas uma teoria. É por isso que a teoria das cordas também pode ser chamada de teoria de todas as coisas (Theory of Everything - TOE).

A principal consequência da Teoria das Cordas está na sua demonstração matemática: ela não funciona em um universo com três dimensões espaciais, mas, sim, em um com dez dimensões de espaço e uma de tempo! Isso quer dizer que, se a teoria for comprovada, existem sete dimensões espaciais que não conseguimos perceber e que vão além da altura, comprimento e largura. Isso representa uma nova visão do universo bem diferente do que já conhecemos.

Apesar de todos os avanços já apresentados, a Teoria das Cordas é, ainda, apenas uma ideia e não pode ser demonstrada experimentalmente. Espera-se que, com o avanço das pesquisas em torno dos aceleradores de partículas, seja possível comprová-la nos próximos anos.

Por Mariane Mendes

Graduada em Física

Fonte: Brasil Escola

MATÉRIA ESCURA: A MISTERIOSA CONSTITUIÇÃO DO UNIVERSO..

É uma parte do Universo que os astrônomos sabem que existe, mas ainda não sabem exatamente o que seja. É matéria, porque se consegue medir sua existência por meio da força gravitacional que ela exerce. E é escura, porque não emite nenhuma luz. Essa segunda propriedade é justamente o que dificulta seu estudo. Todas as observações de corpos no espaço são feitas a partir da luz ou de outro tipo de radiação eletromagnética emitida ou refletida pelos astros.

Como a matéria escura não faz nenhuma dessas coisas, é “invisível”. Ainda assim, sabe-se que ela está lá. Na década de 1930, o astrônomo Fritz Zwicky, um húngaro radicado nos Estados Unidos, calculou a massa de algumas galáxias e percebeu que ela era 400 vezes maior do que sugeriam as estrelas observadas!

A diferença está justamente na massa de matéria escura. E quanta diferença! Pelas contas do professor Fritz, você deve ter percebido que ela não é apenas um detalhe na composição do Universo, e, sim, seu principal ingrediente. Hoje em dia, calcula-se que ela corresponda a mais ou menos 95% do Universo.

É como se todas as galáxias que conhecemos atualmente fossem apenas alguns pedacinhos de chocolate encravados no grande bolo do Universo. Existem várias teorias sobre o que seria a tal massa escura. O mais provável é que ela seja feita de partículas subatômicas, menores que nêutrons, prótons e elétrons e ainda indetectáveis pelos atuais instrumentos de medição dos cientistas. Para terminar, vale um esclarecimento: apesar da semelhança no nome, matéria escura não tem nada a ver com buraco negro.

“A massa escura é um componente do Universo, sem luz, enquanto o buraco negro é um objeto astrofísico com um campo gravitacional tão forte que não deixa nem mesmoa luz escapar”, afirma o astrônomo Enos Picazzio, da Universidade de São Paulo (USP).

Fonte: Site da Superinteressante.

NIÓBIO: HISTÓRIA E POTENCIAL..

Do Vale do Silício, o maior polo de inovação tecnológica do planeta, todo mundo já ouviu falar. Foi lá, na Califórnia, que nasceram empresas como Google, Facebook e Apple. Mas e o Vale do Nióbio: alguém saberia dizer o que é ou onde fica? Bem, se depender do presidente Jair Bolsonaro, será no município de Araxá, a 360 km de Belo Horizonte (MG). Em vídeo publicado na última semana de junho, Bolsonaro aparece mostrando as atribuições do metal para a fabricação de joias. A gravação foi feita em Osaka, no Japão, onde ele participava do encontro do G20.

Na capital mineira funciona a sede da Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), a maior produtora de nióbio do mundo. Em julho de 2016, quando ainda era deputado federal, Bolsonaro visitou a sede da empresa e gravou um vídeo exaltando as virtudes do minério. “Isso pode nos dar independência econômica!”, declarou. Logo no começo do vídeo, ele explica que os 118 elementos químicos da tabela periódica podem ser encontrados em nosso país. O nióbio está ali, na quinta coluna, entre o zircônio e o molibdênio. De número atômico 41, é classificado como “metal de transição”: em poucas palavras, o minério deixa o aço (ainda) mais forte e resistente. Foi descoberto por Charles Hatchett (1765-1847) em 1801, quando o químico inglês analisava amostras de uma rocha do acervo do Museu Britânico, em Londres. Por ter vindo da Colúmbia Britânica, uma das dez províncias do Canadá, recebeu o nome de columbita. O metal ganhou seu nome definitivo em 1844 e apenas em 1949 foi reconhecido oficialmente como um elemento químico.

Voltando ao Brasil do século 21, o metal pode nos transformar em superpotência, como acredita o novo presidente? O engenheiro de materiais Hugo Sandim, da Escola de Engenharia de Lorena (USP), acha difícil. “O nióbio não tem superpoderes. Sozinho, não vai resolver as mazelas nacionais.”

Meu nome é nióbio!

1. LAÇOS DE FAMÍLIA

De acordo com a mitologia grega, Níobe era filha de Tântalo e Dione e foi transformada em rocha por Zeus. Até a primeira metade do século 19 os cientistas acreditavam que o nióbio e o tântalo correspondiam ao mesmo elemento químico.

2. É DO BRASIL

Foi o geólogo mineiro Djalma Guimarães (1894-1973) que descobriu a reserva de nióbio em Araxá (MG), em 1953. Entre outras proezas, ganhou o título de “Príncipe dos Geólogos” da cientista polonesa Marie Curie (1867-1934).

3. NA BOCA DO POVO

Candidato a presidente em 1989, 1994 e 1998, Enéas Carneiro (1938-2007) foi o primeiro a usar o nióbio como trampolim eleitoral. Em 2005, chegou a dizer que, comparado ao roubo do minério, o mensalão era “mesada de trombadinha”.

Quem são os donos do negócio

Detentora de uma fortuna estimada em R$ 77 bilhões, a família Moreira Salles controla desde a década de 1960 a empresa que é a maior produtora de nióbio em todo o planeta. Em dezembro do ano passado, João e Walter, dois dos quatro irmãos Moreira Salles, avisaram que não pretendem “comprar” o Botafogo, seu clube do coração, porque não têm vocação para Roman Abramovich, o magnata russo que, em 2003, comprou o clube inglês Chelsea. Bem, não compram porque não querem. Se quisessem, poderiam. Fernando, Pedro, João e Walter são donos da CBMM e acionistas do Itaú, o maior banco da América Latina. A fortuna da família é estimada em R$ 77 bilhões.

Tudo começou em 1965, quando Walther Moreira Salles (1912-2001), banqueiro e ex-embaixador do Brasil em Washington, tornou-se acionista majoritário das operações da CBMM em uma mina de nióbio em Araxá. Hoje, a família detém 70% das ações da empresa.

Em 2011, os irmãos venderam uma participação de 30% — sendo 15% a um consórcio japonês-sul-coreano e 15% a um grupo de empresários chineses — por US$ 3,9 bilhões. Quanto vale a companhia que produz 80% do nióbio do planeta? Algo em torno de US$ 13 bilhões.

Nióbio não falta

As maiores reservas ativas de nióbio, em torno de 98,4%, estão no Brasil. Comendo poeira, Canadá e Austrália aparecem em segundo e terceiro lugares, respectivamente, com modestíssimos 1,11% e 0,46%. “O nióbio não é raro”, diz Eduardo Ribeiro, CEO da CBMM. “Há reservas na Rússia, nos EUA e em países do continente africano. Como o mercado é limitado, ainda não entraram em operação.” Por aqui, a extração é feita por duas empresas. Uma delas é a já citada CBMM, a maior produtora do mundo. A outra é a CMOC Brasil, subsidiária da China Molybdenum (CMOC), que fica em Catalão, a 256 km de Goiânia (GO).

Os estados de Minas Gerais (cidades de Araxá e Tapira), Amazonas (São Gabriel da Cachoeira e Presidente Figueiredo) e Goiás (Catalão e Ouvidor) são os donos das maiores reservas nacionais. Estudos realizados por especialistas indicam que apenas em Araxá há ao menos 842 milhões de toneladas disponíveis do metal. O que isso quer dizer? É nióbio que não acaba mais! O suficiente para suprir a demanda mundial — que foi de 106 mil toneladas em 2018 — pelos próximos dois séculos. Ou seja, até 2219. Para efeito de comparação, a CBMM produziu 90 mil toneladas de produtos derivados do nióbio no ano passado.

Extraído de uma mina a céu aberto, o minério puro é transformado em produtos acabados como ferronióbio, óxido de nióbio e nióbio metálico. Na CBMM, a mineração é apenas a primeira das 15 etapas necessárias, que incluem o refino, a metalurgia e a embalagem. Todos os dias, uma média de 250 toneladas de produtos de nióbio são despachadas para mais de 60 países: nove em cada dez compradores são indústrias que fabricam aço.

Cheio de utilidades

Não é qualquer elemento que pode ser usado tanto em uma ponte na França quanto em uma sonda espacial: especialistas destacam a versatilidade das aplicações do nióbio

Você saberia dizer o que o telescópio espacial Hubble, projetado para tirar fotografias do Sistema Solar, tem a ver com o viaduto francês de Millau, que é suspenso por cabos e considerado o mais alto do planeta, com 343 metros de altura? Ou então com o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), o maior acelerador de partículas do mundo? Além de toda a tecnologia envolvida, esses projetos utilizaram nióbio em muitos de seus componentes. No caso do LHC, os cabos supercondutores, feitos de liga de nióbio e titânio (NbTi), preservam suas propriedades originais mesmo submetidos a altíssimas temperaturas. Já o peso do viaduto francês foi reduzido em 60% graças à adição de 0,025% de nióbio ao aço.

E não para por aí. O metal pode ser encontrado em itens que vão de equipamentos médicos a reatores nucleares, de plataformas de petróleo a turbinas de avião. De acordo com a CMOC Brasil, segunda maior produtora do mundo, 34% do seu nióbio são usados na construção civil, 32% no setor de óleo e gás, 20% na indústria automotiva e 5% na indústria química. “O uso do metal tem aumentado por várias razões: versatilidade, vantagens econômicas e disponibilidade de suprimento a longo prazo”, avalia Edmilson Costa, coordenador de geologia e mineração do Instituto Brasileiro de Mineração (Ibram). “Em muitos casos, a quantidade necessária para produzir melhorias significativas nas propriedades mecânicas do produto é mínima. Na fabricação de aço de alta resistência e baixa liga (ARBL), o nióbio é adicionado em quantidade que vai de 0,01% a 0,10%.”

No ar, na terra

Diferentes tipos de indústria se beneficiam com a aplicação do metal

1. Dutos de óleo e gás

Por serem resistentes à corrosão e a altíssimas pressões, ligas de nióbio são aplicadas na fabricação de tubulações que transportam grande volume de hidrocarbonetos para abastecer distribuidoras de combustíveis.

2. Turbina de avião

O ponto de fusão do nióbio é altíssimo: 2.468 °C. O que isso significa? Membro da família dos metais refratários, ele resiste a altíssimas temperaturas. Por isso, ligas de nióbio são usadas no processo de fabricação de turbinas de avião.

3. Carros

A indústria automotiva aposta no investimento em componentes de nióbio para a fabricação de chassis e rodas de alumínio ou de aço para a produção de veículos mais leves (e econômicos).

A fórmula do sucesso

EM 2018, a CBMM foi a principal patrocinadora de duas etapas da Fórmula-E, categoria de automobilismo que utiliza carros com motores elétricos e é conhecida como a “Fórmula 1 Sustentável”. O motivo da parceria? Pesquisadores da indústria automotiva afirmam que o nióbio terá papel importante na produção de carros elétricos: em testes realizados, baterias feitas com óxido de nióbio se mostraram mais seguras, duráveis e com tempo de recarga mais rápido. “A CBMM não exporta minério bruto. É a única do mundo que fabrica todos os produtos de nióbio. O desafio é desenvolver tecnologias de aplicação para fomentar o mercado desses produtos”, explica o CEO, Eduardo Ribeiro.

Apesar de manter o olho no futuro, a companhia pretende expandir as vendas para a indústria siderúrgica — atualmente, apenas 12% do aço produzido no mundo leva nióbio. Dona do maior parque siderúrgico do planeta, a China fabrica somente 6% de seu aço com ligas de nióbio. “Quanto mais resistente é o aço produzido, de menos matéria-prima você vai precisar para construir o que quer que seja: carro, ponte ou edifício.”

1. Tão precioso quanto o ouro?

Nem chega perto. “O custo de 1 kg de ouro é 1.000 vezes maior que o custo de 1 kg de nióbio existente na liga ferronióbio”, calcula o engenheiro de materiais Carlos Ângelo Nunes.

2. Salvará o Brasil?

Também não. “Nenhuma superpotência foi erguida com a exploração de um único item. Diversificação do quadro produtivo é a chave para o sucesso”, diz o engenheiro Hugo Sandim.

3. A extração ameaça a amazônia?

É provável. “Caso seja feita, é evidente que haverá impactos”, alerta Nunes a respeito das reservas ainda não exploradas localizadas no Amazonas.

4. Matéria-prima de aeronaves completas?

De jeito nenhum. “O nióbio é apenas um dos componentes usados nas turbinas de foguetes e aviões”, ressalva Eduardo Ribeiro, da CBMM.

5. Pode parar um caminhão?

Depende de fatores como o peso e a velocidade do veículo. “Nióbio puro é muito macio e, em tese, não resistiria. Mas uma superliga, talvez”, especula Hugo Sandim.

Fonte: publicada originalmente na edição nº330, de janeiro de 2019, da GALILEU.

GRAFENO - MATERIAL DO(E) FUTURO..

O grafeno é um material produzido a partir da grafite. Suas incríveis propriedades físicas tornam-no um material com diversas aplicações tecnológicas.

É o material mais fino do mundo. Consiste de uma camada bidimensional de átomos de carbono organizados em estruturas hexagonais, cuja altura é equivalente a de um átomo. Esse material pode ser produzido por meio da extração de camadas superficiais da grafite, um mineral abundante na Terra e um dos mais comuns alótropos do carbono.

As ligações químicas formadas entre os átomos de carbono e a espessura do grafeno tornam esse elemento recordista em algumas propriedades físicas, como resistência mecânica, condutividades térmica e elétrica. Essas características fazem do grafeno um dos mais promissores materiais, podendo ser utilizado nas mais variadas aplicações.

O grafeno é um alótropo cristalino bidimensional do carbono e tem incríveis propriedades físicas.

O grafeno tem incríveis propriedades físicas que o tornam um material com diversas aplicações tecnológicas. Conheça algumas propriedades que tornam esse alótropo tão especial.

Propriedades mecânicas

O grafeno é o material mais resistente já conhecido, sendo capaz de suportar pressões de até 130 gigapascal (130.109 Pa). Tamanha resistência decorre das fortes ligações químicas formadas entre seus átomos de carbono. Materiais largamente utilizados na construção civil, como o aço, suportam apenas um terço dessa pressão.

Outra propriedade interessante do grafeno é seu alto módulo de Young, indicando que, além de resistente, esse material é bastante elástico e, por isso, retorna ao seu tamanho original com relativa facilidade.

As pequenas áreas de cada hexágono de carbono são responsáveis pela alta impermeabilidade do grafeno, que pode ser usado como uma pequena rede capaz de segurar gases que vazam muito facilmente de seus recipientes, como o gás hidrogênio. Além de extremamente resistente, o grafeno é muito leve: sua densidade é de 0,77 g/ m², cerca de mil vezes mais leve que uma folha de papel.

Propriedades elétricas

Os elétrons conseguem propagar-se no grafeno quase livremente sem sofrerem desvios ou colisões. Em virtude da estrutura hexagonal das ligações de carbono, os elétrons deslocam-se no interior dessas finas camadas em velocidades relativísticas, próximas à velocidade da luz.

Em temperatura ambiente, a resistividade elétrica do grafeno é a mais baixa que conhecemos, cerca de 10-6 Ω.m, menor que a resistividade da prata, o melhor condutor metálico conhecido.

Propriedades ópticas

Apesar de ser uma camada de carbonos com altura de um único átomo, o grafeno é visível a olho nu, já que permite a passagem de 97% a 98 % da luz incidente. Esse comportamento óptico surge das propriedades relativísticas dos elétrons no grafeno. Isso implica que, ao amontoarem-se diversas folhas de grafeno, é possível produzir um corpo perfeitamente negro, capaz de absorver quase toda a radiação incidente sobre ele.

Propriedades térmicas

Em virtude das suas propriedades eletrônicas, o grafeno é um excelente condutor térmico. Esse material é capaz de dissipar calor mais rápido que qualquer outro conhecido. Além disso, alguns estudos sugerem que sua temperatura de fusão seja de 4125 K, cerca de 3851° C.

O grafeno estável e bidimensional foi descoberto acidentalmente em 2004 pelos físicos russos André Geim e Konstantin Novoselov. Essa descoberta garantiu aos pesquisadores, em 2010, o prêmio Nobel de Física. A existência desse alótropo do carbono, no entanto, já era conhecida desde 1930.

Qual é o preço do grafeno?

O preço do grafeno ainda é elevado em virtude de seus complexos meios de obtenção. As técnicas mais atuais que permitem a produção de camadas puras e finas desse material funcionam com a deposição de vapor em substratos metálicos, como folhas de cobre.

Atualmente, uma folha de grafeno de 5,08 cm por 2,54 cm, cerca de 12,9 cm², pode custar até 275 dólares: uma média de 21 dólares por centímetro quadrado. No entanto, fatores como impurezas e assimetrias podem reduzir drasticamente esse preço.

Outra forma de obtenção do grafeno é a partir da grafite: com 1 kg de grafite, que custa em torno de 1 dólar, é possível produzir até 150 g de grafeno, cujo valor supera os 15 mil dólares¹.

Onde encontramos o grafeno?

Apesar de ser um alótropo do carbono, como a grafite e o diamante, o grafeno não é encontrado na natureza em sua configuração bidimensional, isto é, contendo apenas um átomo de altura.

Na forma bidimensional, o grafeno tem sua estabilidade química drasticamente reduzida, apesar de adquirir propriedades físicas e químicas que o tornam ótimo condutor de calor e de corrente elétrica e o material mais resistente já conhecido. Dessa forma, na natureza, é privilegiada a ocorrência do grafeno de multicamada, que é bem menos interessante para aplicações tecnológicas.

Qual é a composição do grafeno?

O grafeno é composto por átomos de carbono ligados em estruturas cristalinas hexagonais por meio de ligações sp2. Essas ligações repetem-se ao longo de um plano bidimensional, com somente um átomo de altura.

O que se pode fazer com o grafeno?

O grafeno é um dos materiais mais promissores conhecidos. Suas aplicações tecnológicas são vastas e limitam-se à capacidade de produção desse material em grandes escalas. Dispositivos como telas de LED dobráveis, células fotovoltaicas (painéis solares), telas sensíveis ao toque mais resistentes, transistores mais eficientes, supercapacitores, dissipadores de calor e superbaterias de celular são alguns exemplos de tecnologias possíveis por meio da aplicação do grafeno. Recentemente, um aluno da University State of California, mostrou que, submetendo-se um disco de grafeno a uma carga elétrica durante dois segundos, é possível manter aceso um LED por até 5 minutos.

Grafeno no Brasil

O Brasil encontra-se na corrida tecnológica em busca da obtenção de métodos mais baratos e eficientes para a produção de grafeno. Segundo relatório produzido em 2012 pelo Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM), em poucos anos, o mercado do grafeno deverá ser um dos mais rentáveis do mundo, tendo potencial de atingir até 1 trilhão de dólares em 10 anos. Além disso, o Brasil detém as maiores reservas de grafeno do mundo.

Apesar de ter a altura de um átomo, a camada de grafeno é visível a olho nu em virtude de efeitos relativísticos que surgem em sua estrutura.

Fonte: Mundo Educação