El grafeno, ahora transformado en producto, está entre nosotros. Veinte años después de haber sido aislado por primera vez, el nanomaterial compuesto por átomos de carbono ya se puede encontrar en artículos a la venta en el país. También cuenta con una serie de innovaciones tecnológicas en fase de prueba avanzada. En un mercado aún en formación, importadores o empresas locales lo venden para usarlo como materia prima o ya insertado en soluciones diseñadas para diferentes productos, que van desde aditivos para pinturas y envases plásticos hasta lubricantes. Principalmente en torno a instituciones de ciencia y tecnología, surgen ecosistemas de innovación que promueven la producción y nuevas aplicaciones del grafeno. Grandes empresas del país en las áreas de petróleo, gas y minería están probando en campo dispositivos con cristal bidimensional para utilizarlos en su proceso productivo.

En São Paulo, uno de los principales centros de investigación y desarrollo de materiales orientados a las demandas del mercado es el Instituto Mackenzie de Investigación en Grafeno y Nanotecnología (MackGraphe). La unidad inició sus actividades en 2013, en el campus de São Paulo de la Universidad Presbiteriana Mackenzie, con apoyo de la FAPESP. Uno de los creadores de MackGraphe, el físico Eunezio Antonio Thoroh de Souza, fundó en 2018 una startup, DreamTech Nanotechnology, con el objetivo de convertir el conocimiento científico sobre el grafeno en tecnologías aplicables a la vida cotidiana. La iniciativa se realizó en colaboración con la multinacional china DT Nanotech, responsable de producir el grafeno comercializado ( lea en Pesquisa FAPESP números ²⁸⁴ y 291 ) . Con el distribuidor local MCassab, la startup viene introduciendo el uso de grafeno y otros materiales bidimensionales en el mercado brasileño. Ahora, su intención es producir grafeno en el territorio nacional.

“Estamos en proceso de instalación de una fábrica en Araras, en el interior de São Paulo, con capacidad para producir 200 toneladas de grafeno por año”, informa Thoroh. “El crecimiento proyectado en la demanda de grafeno justifica la implementación de nuestra fábrica local, que tendrá a DT Nanotech como socios ejecutivos. Nuestra expectativa es comenzar a fabricar a fines de 2025”. La empresa adoptará una tecnología de producción basada en el método de exfoliación mecánica líquida y se centrará en productos como pinturas anticorrosión, compuestos, pinturas asfálticas, lubricantes y materiales de construcción.

También en São Paulo, Gerdau Graphene, startup de Gerdau Next, la nueva rama comercial de la siderúrgica Gerdau, ya lanzó al mercado siete productos que incorporan el nanomaterial y prevé lanzar al menos otros tres este año. En el portafolio de la empresa, creado en 2021, existen aditivos con grafeno para ser utilizados en la producción de películas poliméricas, matrices de cemento, pinturas y revestimientos.

“El grafeno es ya una realidad comercial”, destaca la química Valdirene Peressinotto, directora ejecutiva y de innovación de Gerdau Graphene. “El nanomaterial proporciona propiedades mejoradas a los materiales en los que se incorpora, haciéndolos más resistentes y duraderos”, afirma el investigador. “Nuestros aditivos ya se fabrican a escala industrial, del orden de toneladas o miles de litros. Ya no es algo experimental, restringido a estudios en laboratorios”.

Premio Nobel para el grafeno
El primer estudio teórico sobre las propiedades eléctricas del grafeno se remonta a 1947, pero la historia del material en el campo de la física experimental es mucho más reciente. Se remonta a principios de siglo, más precisamente a 2004, cuando los físicos André Geim –uno de los socios de DreamTech Nanotechnology y DT Nanotech– y Konstantin Novoselov aislaron una única lámina de átomos de carbono a partir de exfoliación en la Universidad de Manchester, en Inglaterra. . de una placa de grafito con cinta adhesiva. También conocido como grafito, el grafito es un mineral extraído de yacimientos.

Los dos investigadores depositaron esa finísima capa plana de átomos sobre un sustrato que facilitaba su visualización bajo un microscopio óptico, construyeron un pequeño dispositivo y realizaron mediciones eléctricas y magnéticas del material bidimensional. A pesar de que se había predicho su existencia décadas antes, los científicos generalmente pensaban que un material así no tendría la estabilidad suficiente para permanecer cristalizado en una sola capa. Por su trabajo, Geim y Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física en 2010.

Con los átomos organizados en forma de una red hexagonal, a modo de panal, en un mismo plano, el grafeno es un material extremadamente ligero, muy transparente, flexible e impermeable ( ver infografía más abajo ). Tiene buena conductividad eléctrica y térmica y alta resistencia mecánica. Sus peculiares propiedades electrónicas y magnéticas han dado lugar a nuevas áreas de la física, como la valetrónica, el estudio de los cambios en el comportamiento de los electrones en el grafeno, y la twistrónica, la investigación de los efectos producidos por el acto de girar una de las láminas de un sistema formado por dos o más capas de grafeno u otros materiales con sólo dos dimensiones.

El grafeno también abrió el camino para la física de sistemas bidimensionales y para el estudio de otros materiales formados por capas atómicas ( layered materials ), como el grafito. Así, el descubrimiento de Geim y Novoselov tuvo un fuerte impacto en la investigación fundamental en el campo de la ciencia de los materiales.

Mercado en expansión
Las características únicas del grafeno y los materiales fabricados a partir de él traen consigo la promesa de una amplia aplicación tecnológica en diversos campos de la industria. La consultora de mercado Fortune Business Insights calcula que el año pasado el mercado mundial del material ascendió a 432,7 millones de dólares. Para 2032, se estima que alcanzará los 5.200 millones de dólares, un sorprendente crecimiento proyectado en menos de 10 años.

Las aplicaciones del grafeno y sus derivados se multiplican en todo el mundo. Se utiliza en la fabricación de productos electrónicos, materiales compuestos y baterías. El segmento de nanoplaquetas o nanoplacas de grafeno (NPG), que consta de varias capas de grafeno, representó la mayor cuota de mercado en 2023, según Fortune Business Insights. Las industrias electrónica, aeroespacial, automotriz, de defensa y energética lideran el consumo del nanomaterial, según el informe. La región de Asia y el Pacífico representó el 34,4% del mercado, el más grande del mundo.

“El grafeno tiene propiedades que significan que puede utilizarse en una amplia gama de aplicaciones. Seis empresas ya abandonaron mi centro de investigación y todavía nos faltan otras cinco por nacer”, afirma el físico teórico brasileño Antonio Hélio de Castro Neto, director del Centro de Materiales Avanzados 2D y del Centro de Investigación de Grafeno de la Universidad Nacional de Singapur (NUS). , uno de los principales centros mundiales de investigación del grafeno. El físico Novoselov, premio Nobel, forma parte del equipo de investigadores de la NUS.

Entre las spin-off generadas en la universidad destacan NanoMolar, especializada en el desarrollo de sensores médicos, y UrbaX, centrada en el sector de la construcción civil. Más de 200 patentes asociadas al grafeno y sus aplicaciones, resultantes de estudios realizados en la NUS, ya fueron registradas, informa Castro Neto, licenciado en física por la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) y que está fuera de Brasil desde hace más de tres décadas.

A pesar de la creciente demanda en varias áreas, todavía quedan desafíos por superar para que el grafeno se establezca más comercialmente. Un artículo publicado a principios de año por científicos alemanes en la revista 2D Materials indica que la mayoría de los fabricantes se encuentran en una fase comercial temprana y deben afrontar el doble desafío de consolidar su base de consumidores y conseguir financiación para aumentar la producción. También hay nichos que crecen sin visibilidad pública debido a las condiciones de secreto impuestas por los clientes, que prefieren no publicitar los experimentos con grafeno para no llamar la atención de la competencia y mantener el secreto de la fórmula en producción.

“El tamaño relativamente pequeño [del mercado] abre la perspectiva de una fuerte evolución en los próximos años, con tasas de crecimiento esperadas entre el 20% y el 50% anual. […] El grafeno no puede convertir inmediatamente todas sus promesas iniciales en un rotundo éxito de mercado. La difusión de esta nueva clase de materiales bidimensionales lleva tiempo”, escribieron los autores del artículo en 2D Materials . El estudio se llevó a cabo en el ámbito del Graphene Flagship, una iniciativa europea que reúne a 118 socios industriales y académicos.

El mercado, no sólo en Brasil, sino en todo el mundo, según Peressinotto, está en fase de apertura y consolidación. La directora de Gerdau Grafeno investiga nanomateriales de carbono, como el grafeno, desde 2004, cuando aún trabajaba como investigadora en el Centro de Desarrollo de Tecnología Nuclear (CDTN), en Belo Horizonte, con un grupo vinculado a la Universidad Federal de Minas. Gerais (UFMG).

El primer caso de éxito de la startup que hoy dirige benefició a la propia Gerdau. Esto ocurrió después de una prueba industrial realizada con el proveedor de películas poliméricas utilizadas para empaquetar clavos, comercializadas por la siderúrgica de Rio Grande do Sul. “Redujimos el espesor del embalaje en un 25%, aumentamos la resistencia a perforaciones y desgarros en un 30% y redujimos las pérdidas de proceso en más de un 40%”, destaca Peressinotto. Con la incorporación del aditivo en la línea de envasado de uñas, Gerdau logró ahorrar alrededor de 72 toneladas de plástico en el transcurso de un año.

Gerdau Grafeno, que desarrolla sus productos en alianza con el Centro de Innovación en Ingeniería de Grafeno (Geic), vinculado a la Universidad de Manchester, compra el grafeno utilizado en sus aditivos a productores de Brasil, Canadá, Estados Unidos e Inglaterra, España, Australia, entre otros países. La importación, explica Peressinotto, es necesaria porque el país aún no cuenta con quien produzca el insumo en los formatos requeridos por la empresa, en cantidad suficiente y a un costo competitivo.

En Brasil, el nuevo material se ha utilizado principalmente en aplicaciones que aprovechan sus propiedades mecánicas. “Las principales aplicaciones del grafeno en el país siguen siendo en pinturas, elastómeros [polímeros con propiedades elásticas], composites, embalajes y cemento. Se trata de usos vinculados a materiales más pesados, incluidos los de la construcción civil y los del sector automotriz”, dice el físico Luiz Gustavo Cançado, de la UFMG. Ex coordinador del Proyecto MGgrafeno, creado en 2016, el investigador y su equipo desarrollaron un proceso piloto para la producción a gran escala del material y probaron más de 20 aplicaciones.

“El grafeno es muy resistente mecánicamente. Se necesita mucha fuerza para que se rompa. Al mezclarlo con polímeros, cauchos, cemento o cerámicas, hay una mejora generalizada en las propiedades mecánicas del material resultante”, sostiene el físico Marcos Pimenta, también docente de la UFMG. «Pero no es fácil desarrollar y producir este material».

Pionero en el estudio de nanomateriales de carbono en el país, Pimenta creó y dirigió durante 10 años el Centro de Tecnología en Nanomateriales y Grafeno (CTNano) de la UFMG, donde hoy, en un espacio de 3 mil metros cuadrados, trabajan alrededor de 100 personas. 10 laboratorios para desarrollar soluciones y tecnologías bajo demanda. “Al principio se trataba principalmente de proyectos para dos empresas. Hoy tenemos varias iniciativas en marcha con empresas de diferentes sectores”, afirma el investigador.

Según el físico Rodrigo Gribel Lacerda, actual coordinador general del CTNano, que pasó a formar parte de la Empresa Brasileña de Investigación e Innovación Industrial (Embrapii), el centro hasta el momento firmó alianzas con 15 empresas. Entre los proyectos más avanzados se encuentra un nanosensor fabricado con nanotubos de carbono (capas de grafeno enrolladas en un cilindro) para monitorear la concentración de dióxido de carbono en el gas natural extraído de pozos petroleros del presal.

“Estamos en la fase de aprobación del dispositivo, creado en colaboración con Petrobras. Falta realizar pruebas en entorno real para convertirlo en un producto comercial”, destaca Lacerda. También en esta etapa de desarrollo se encuentra otro sensor de deformación para maquinaria utilizada en actividades mineras. En un tercer proyecto, el objetivo es utilizar el grafeno como filtro para la purificación del agua.

Rio Grande do Sul alberga una de las primeras fábricas de grafeno en funcionamiento en el país. Fruto de un proyecto de la Universidad de Caxias do Sul (UCS), la UCSGraphene, en Caxias do Sul, está en funcionamiento desde marzo de 2020. La unidad, vinculada a Embrapii, utiliza la ruta de exfoliación en fase líquida para el desarrollo y producción de grafeno y otros materiales ricos en carbono. Su capacidad de producción supera 1 tonelada por año.

“Además de desarrollar grafeno a partir de grafito y otras fuentes de carbono, nos dedicamos a crear soluciones tecnológicas que contengan el nanomaterial y sus derivados, y a rutas de producción enfocadas a otras nanoestructuras basadas en carbono, como el óxido de grafeno y los grafenos modificados”, afirma. El ingeniero de materiales Diego Piazza, coordinador de UCSGraphene, que trabaja en alianza con otras empresas e institutos de ciencia y tecnología.

“Entre los diversos desarrollos tecnológicos y estudios sobre el uso del grafeno y derivados realizados por nuestro equipo, se encuentra su uso en materiales compuestos [polímeros, cerámicas y metales], equipos de protección, lubricantes, pinturas y recubrimientos, sistemas de filtración, medicina regenerativa y partes técnicas”, dice Piazza, quien también es profesor de la UCS. “Varias de nuestras soluciones ya se están comercializando en los sectores de moda, movilidad, logística, entre otros”.

En la capital de Minas Gerais, otra instalación con condiciones de producción industrial se prepara para lanzar una oferta pública de tecnologías. La CDTN alberga una planta construida en el marco del Proyecto MGgrafeno, por la UFMG, en colaboración con la estatal Compañía de Desarrollo de Minas Gerais (Codemge), con capacidad para fabricar alrededor de 1 tonelada por año. “Con la convocatoria pretendemos transferir la tecnología que creamos a aquellos interesados ​​en producir grafeno para explotación comercial e industrial”, dice Cançado, de la UFMG. La idea es que el socio privado utilice las instalaciones de la CDTN.

La universidad comparte, con CDTN, la propiedad intelectual generada en el proyecto, relacionada con la ruta desarrollada para la producción de grafeno, basada en la exfoliación en fase líquida del grafito. El investigador explica que uno de los mayores desafíos para ampliar las aplicaciones y el uso comercial del material es poder fabricarlo a gran escala mediante un proceso reproducible.

Otra dificultad es establecer normas para la producción, el control de calidad y la seguridad de los insumos. Finalmente, es necesario contar con información confiable sobre el material, que garantice que en realidad se trata de grafeno y no de otra forma alotrópica de carbono, como el grafito. Los alótropos son sustancias simples formadas por un mismo elemento químico, con variación en el número de átomos o en su estructura cristalina.

La exigencia de controlar la calidad del grafeno que circula en el país, ya sea nacional o importado, llegó al Instituto Nacional de Metrología, Calidad y Tecnología (Inmetro). Desde el año pasado, la entidad trabaja en el desarrollo de un sello de conformidad a través de un programa de certificación de grafeno, programa conocido informalmente como PAC (Graphene Growth Acceleration Plan). Se espera que ambos se lancen a mediados de 2025.

“Cuando el grafeno superó la etapa de investigación académica y se convirtió en un producto comercial, Inmetro se dio cuenta de que tenía que crear métodos de medición [para verificar el número de capas de grafeno y la pureza del material contenido en el producto] y desarrollar contenidos de referencia para guiar el transporte. de pruebas destinadas a comprobar la conformidad del material con determinadas normas de prueba. Con la ABNT [Asociación Brasileña de Normas Técnicas] desarrollamos estándares para identificar y clasificar este nanomaterial”, informa la química Joyce Rodrigues de Araújo, responsable del Laboratorio de Fenómenos Superficiales y Películas Delgadas (Lafes) de la División Materiales y Metrología de Materiales. Superficies inmetro. En 2024 ganó el premio 25 Mujeres en Ciencia, impulsado por la empresa 3M, por su trabajo en el desarrollo del biografeno, producido a partir del procesamiento de biomasa, como la cascarilla de arroz y el bagazo de caña de azúcar.

Araújo explica que lo que rara vez se encuentra en los productos comerciales es una monocapa de grafeno, como la producida en la Universidad de Manchester en 2004. “El grafeno engloba una familia de compuestos que se diferencian entre sí por la cantidad de capas que los componen. arriba y la forma con la que se forman”, afirma el investigador. Incluye, por ejemplo, el grafeno monocapa original, el grafeno multicapa y las nanoplacas de grafeno ( ver infografía a continuación) .