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Filmes de grafite podem proteger dispositivos eletrônicos da radiação eletromagnética (EM), mas as técnicas atuais de fabricação levam várias horas e exigem temperaturas de processamento em torno de 3.000 °C. Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Ciência dos Materiais de Shenyang, da Academia Chinesa de Ciências, demonstrou uma maneira alternativa de produzir filmes de grafite de alta qualidade em apenas alguns segundos, temperando tiras quentes de folha de níquel em etanol. A taxa de crescimento desses filmes é mais de duas ordens de magnitude maior do que a dos métodos existentes, e a condutividade elétrica e a resistência mecânica dos filmes são comparáveis às dos filmes produzidos por deposição química de vapor (CVD).
Todos os dispositivos eletrônicos produzem alguma radiação eletromagnética (EM). À medida que os dispositivos se tornam cada vez menores e operam em frequências cada vez mais altas, o potencial de interferência eletromagnética (EMI) aumenta, podendo afetar negativamente o desempenho do dispositivo, bem como o de sistemas eletrônicos próximos.
A grafite, um alótropo de carbono construído a partir de camadas de grafeno unidas por forças de van der Waals, possui uma série de propriedades elétricas, térmicas e mecânicas notáveis que a tornam um escudo eficaz contra a interferência eletromagnética (EMI). No entanto, ela precisa estar na forma de uma película muito fina para ter alta condutividade elétrica, o que é importante para aplicações práticas de EMI, pois significa que o material pode refletir e absorver ondas eletromagnéticas à medida que interagem com os portadores de carga em seu interior.
Atualmente, as principais formas de produção de filmes de grafite envolvem a pirólise em alta temperatura de polímeros aromáticos ou o empilhamento de óxido de grafeno (GO) ou nanofolhas de grafeno camada por camada. Ambos os processos exigem altas temperaturas, em torno de 3.000 °C, e tempos de processamento de uma hora. Na CVD, as temperaturas necessárias são mais baixas (entre 700 e 1.300 °C), mas a produção de filmes com espessura nanométrica leva algumas horas, mesmo no vácuo.
Uma equipe liderada por Wencai Ren produziu um filme de grafite de alta qualidade, com dezenas de nanômetros de espessura, em poucos segundos, aquecendo uma folha de níquel a 1200 °C em atmosfera de argônio e, em seguida, imergindo-a rapidamente em etanol a 0 °C. Os átomos de carbono produzidos pela decomposição do etanol se difundem e se dissolvem no níquel graças à alta solubilidade do metal em carbono (0,4% em peso a 1200 °C). Como essa solubilidade diminui significativamente em baixas temperaturas, os átomos de carbono subsequentemente se segregam e precipitam da superfície do níquel durante a têmpera, produzindo um filme espesso de grafite. Os pesquisadores relatam que a excelente atividade catalítica do níquel também auxilia na formação de grafite altamente cristalina.
Utilizando uma combinação de microscopia de transmissão de alta resolução, difração de raios X e espectroscopia Raman, Ren e colegas descobriram que o grafite produzido era altamente cristalino em grandes áreas, bem estruturado e sem defeitos visíveis. A condutividade eletrônica do filme era de até 2,6 x 105 S/m, semelhante à dos filmes cultivados por técnicas de CVD ou alta temperatura e prensagem de filmes de GO/grafeno.
Para testar o quão bem o material poderia bloquear a radiação EM, a equipe transferiu filmes com uma área de superfície de 600 mm² para substratos feitos de tereftalato de polietileno (PET). Eles então mediram a eficácia da blindagem EMI (SE) do filme na faixa de frequência da banda X, entre 8,2 e 12,4 GHz. Eles encontraram um SE EMI de mais de 14,92 dB para um filme de aproximadamente 77 nm de espessura. Esse valor aumenta para mais de 20 dB (o valor mínimo necessário para aplicações comerciais) em toda a banda X quando eles empilharam mais filmes juntos. De fato, um filme contendo cinco pedaços de filmes de grafite empilhados (cerca de 385 nm de espessura no total) tem um SE EMI de cerca de 28 dB, o que significa que o material pode bloquear 99,84% da radiação incidente. No geral, a equipe mediu uma blindagem EMI de 481.000 dB/cm²/g na banda X, superando todos os materiais sintéticos relatados anteriormente.
Os pesquisadores afirmam que, até onde sabem, seu filme de grafite é o mais fino entre os materiais de blindagem relatados, com um desempenho de blindagem EMI que pode atender aos requisitos para aplicações comerciais. Suas propriedades mecânicas também são favoráveis. A resistência à fratura do material de aproximadamente 110 MPa (extraída das curvas tensão-deformação do material colocado em um suporte de policarbonato) é maior do que a de filmes de grafite cultivados por outros métodos. O filme também é flexível e pode ser dobrado 1.000 vezes com um raio de curvatura de 5 mm sem perder suas propriedades de blindagem EMI. Também é termicamente estável até 550 °C. A equipe acredita que essas e outras propriedades significam que ele pode ser usado como um material de blindagem EMI ultrafino, leve, flexível e eficaz para aplicações em muitas áreas, incluindo aeroespacial, bem como eletrônica e optoeletrônica.
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Horário da postagem: 07/05/2020