Cascas de amendoim podem tornar o grafeno subitamente muito mais barato

Um subproduto agrícola está a deixar engenheiros surpreendidos - e pode fazer com que um material “milagroso”, hoje caro, passe a custar quase nada.

O que atualmente acaba como montes de cascas ao lado de fábricas de amendoim poderá, em breve, integrar baterias, painéis solares e smartphones. Uma equipa de investigação na Austrália demonstrou que cascas de amendoim comuns podem ser convertidas em grafeno de elevada qualidade - mais depressa, com menor custo e sem recorrer a químicos tóxicos. A proposta parece quase simples demais para resultar, mas tem capacidade para baralhar seriamente toda uma indústria.

Porque é que, de repente, toda a gente voltou a falar de grafeno

Há anos que o grafeno é apontado como um material quase mítico. Trata-se de uma única camada de átomos de carbono organizada num padrão em favo de mel. Essa arquitectura confere-lhe propriedades muito particulares:

• mais resistente do que o aço, com um peso muito inferior;
• mais condutor do que o cobre, tanto para electricidade como para calor;
• altamente flexível e, ao mesmo tempo, transparente.

Em teoria, o grafeno abre caminho a baterias melhores, electrónica mais rápida, sensores muito sensíveis, peças leves e resistentes e até aplicações médicas. Na prática, o travão tem sido o preço: o grafeno de qualidade é dispendioso e exige muita energia para ser produzido, recorrendo com frequência a matérias-primas fósseis e a químicos agressivos.

"É precisamente aqui que entra a abordagem com cascas de amendoim: barata, disponível em grandes quantidades e, surpreendentemente, muito adequada como matéria-prima."

Cascas de amendoim: de resíduo incómodo a fornecedor ideal de carbono

A produção mundial de amendoim gera, todos os anos, mais de dez milhões de toneladas de cascas. Grande parte acaba no lixo, na compostagem ou em utilizações de baixo valor acrescentado. Para o sector agrícola, estas cascas tendem a ser mais um problema de gestão de resíduos do que um recurso.

Para a equipa australiana liderada pelo engenheiro mecânico Guan Yeoh, da Universidade de New South Wales, o cenário é o oposto: as cascas são um material de entrada bastante atractivo. A razão está na composição das paredes celulares, ricas em lignina - um polímero vegetal com elevado teor de carbono. E o carbono é, exactamente, o elemento base do grafeno.

Tentativas anteriores de produzir grafeno a partir de biomassa esbarraram, muitas vezes, na qualidade: demasiados defeitos, estruturas pouco uniformes e fraca adequação para usos exigentes. O grupo de Yeoh diz ter encontrado uma forma de reduzir de forma significativa esse ponto fraco.

Dois choques térmicos para obter um material de alta tecnologia

O método assenta em duas etapas de aquecimento consecutivas, pensadas para se complementarem.

Primeiro passo: das cascas a uma “pré-carbonização”

Começa-se por triturar as cascas de amendoim e aquecê-las de forma indirecta - usando corrente eléctrica para levar um elemento de aquecimento até cerca de 500 graus Celsius. Esta fase demora aproximadamente cinco minutos. Durante o aquecimento, libertam-se oxigénio, hidrogénio e outros componentes indesejados.

O que fica é um resíduo sólido: um “pré-coque” rico em carbono, com anéis aromáticos de carbono já relativamente bem organizados. Essa pré-estrutura, segundo os investigadores, cria as condições para formar grafeno com muito menos falhas na rede.

Segundo passo: aquecimento-relâmpago acima de 3.000 graus

De seguida entra a etapa decisiva, conhecida como Flash-Joule-Heating. O carbono previamente preparado é submetido a uma descarga eléctrica extremamente curta, mas muito intensa. Em milissegundos, a temperatura dispara para mais de 3.000 graus Celsius.

"Sob este choque térmico, os átomos de carbono reorganizam-se e formam camadas finas de grafeno - em poucos instantes."

De acordo com a universidade, o percurso completo - do pó de casca ao grafeno final - leva cerca de dez minutos. Um pormenor relevante: o procedimento dispensa solventes e reagentes adicionais. Isto afasta-o de muitas rotas de síntese tradicionais, frequentemente associadas a químicos tóxicos ou ambientalmente problemáticos.

O que se obtém no fim: grafeno turbostrático

O produto final não é uma folha perfeita e única de grafeno, como a investigação fundamental por vezes procura. O que se forma é grafeno turbostrático: várias camadas de grafeno ligeiramente rodadas e não alinhadas de forma perfeita.

Para muitas aplicações industriais, este tipo de grafeno é suficiente - e pode até ser vantajoso. Entre os exemplos citados contam-se:

• eléctrodos em baterias de iões de lítio e de iões de sódio;
• pistas condutoras em ecrãs tácteis flexíveis;
• revestimentos aplicados em módulos solares;
• tintas condutoras para electrónica impressa;
• sensores para medições médicas ou ambientais.

A equipa australiana refere que a qualidade obtida a partir de cascas de amendoim consegue rivalizar com a do grafeno produzido por métodos convencionais. Para a indústria, no fim, importa sobretudo a fiabilidade do desempenho - e se o preço compensa.

A descida de preço: quanto poderá custar 1 kg de grafeno

É aqui que o tema ganha outra dimensão. Segundo cálculos do grupo, produzir um quilograma de grafeno a partir de cascas de amendoim exigiria apenas cerca de 1,30 US-Dollar em custos de energia - pouco acima de um euro. Trata-se de uma fracção do que muitos processos actuais consomem.

"Se esta conta se confirmar na prática, o grafeno pode passar de material de nicho a produto de massa."

Isto significa que fabricantes de baterias, electrónica e revestimentos poderiam incorporar muito mais grafeno sem que os custos disparassem. Com isso, poderiam acelerar inovações que, até agora, ficaram limitadas a protótipos caros ou a demonstrações em laboratório.

Do laboratório para a fábrica

Por enquanto, o procedimento ainda está em escala laboratorial. O passo seguinte, segundo os investigadores, é avançar para protótipos maiores. O objectivo é que, em três a quatro anos, fique demonstrado que o sistema pode funcionar na indústria de forma contínua, segura e economicamente viável.

Em paralelo, o grupo está a testar outras fontes de biomassa. Estão na lista:

• borras de café de torrefacções e cafés;
• cascas de banana da indústria alimentar;
• outros resíduos vegetais ricos em lignina, como palha ou cascas de oleaginosas.

Assim, aquilo que hoje é deitado fora sem pensar pode, amanhã, representar uma perda de matéria-prima valiosa. É plausível que empresas alimentares deixem de “pagar para descartar” e passem a vender estes resíduos a produtores de grafeno.

O que significam termos como lignina e Flash-Joule-Heating

A lignina tem um papel central, embora discreto. Este composto natural dá rigidez às células das plantas, endurece a madeira e ajuda as árvores a crescerem em altura. Do ponto de vista químico, a lignina é, em grande parte, carbono organizado em anéis aromáticos. Ao aquecê-la, é relativamente fácil obter uma estrutura rica em carbono - ideal como base para o passo seguinte rumo ao grafeno.

Já o Flash-Joule-Heating soa espectacular, mas assenta num princípio simples: um impulso curto e intenso de corrente eléctrica aquece o próprio material. Como o pulso dura apenas milissegundos, o consumo total de energia mantém-se controlado e o ambiente à volta não é aquecido sem necessidade. Esta capacidade de aquecer “no ponto” é o que torna o processo rápido e eficiente.

Oportunidades, riscos e o que a indústria terá de validar

A proposta traz vantagens claras:

• valorização de resíduos agrícolas em vez de matérias-primas fósseis;
• menos resíduos destinados a aterro e menor impacto ambiental;
• tempos de processo curtos e menor necessidade energética;
• ausência de solventes tóxicos.

Ainda assim, existem incógnitas. As empresas vão querer perceber quão estável é a qualidade quando se aumenta a produção. Se a composição da biomassa variar muito, as propriedades do material podem oscilar. Também será indispensável testar cuidadosamente a segurança do aquecimento-relâmpago em operação industrial contínua.

Outra questão interessante é o comportamento do mercado caso passem a existir toneladas de grafeno mais barato. Fabricantes de baterias poderiam repensar por completo a arquitectura dos eléctrodos, e start-ups poderiam levar ao mercado embalagens condutoras, têxteis inteligentes ou películas de sensores ultrafinas.

No fundo, as cascas de amendoim tornam-se um símbolo de uma tendência mais ampla: materiais de alta tecnologia não têm de depender, inevitavelmente, de recursos escassos. Com processos bem desenhados, até aquilo que parecia lixo pode transformar-se num componente-chave para a próxima geração de electrónica e de armazenamento de energia.

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