INTRODUÇÃO

Atualmente o grafeno é um dos materiais mais interessantes em investigação, não só por curiosidade académica, mas também pelas suas potenciais aplicações. O grafeno, tal como já foi dito anteriormente, é um material de carbono bidimensional, que assume a forma de um retículo planar com uma estrutura hexagonal de átomos de carbono com ligações covalentes do tipo sp2, com uma distância atómica carbono-carbono de 0,142 nm. Este foi considerado o primeiro material realmente bidimensional, cristalino e com espessura atómica e estável às condições ambientais.1

O grafeno exibe uma variedade de propriedades bastante interessantes, incluindo alta mobilidade eletrónica à temperatura ambiente (250 000 cm2/Vs), condutividade térmica elevada (5000 Wm-1K-1) e excecionais propriedades mecânicas (módulo de Young de 1 TPa).2-6 Assim, as folhas de grafeno possuem uma panóplia de propriedades eletrónicas, mecânicas e térmicas excecionais, e espera-se que se possam repercutir nas mais diversas aplicações,7, 8 tais como sensores, baterias, supercapacitadores, sistemas de armazenamento de hidrogénio e reforço em materiais nanocompósitos, etc...

A atribuição conjunta do Prémio Nobel de Física 2010 para Andre Geim e Konstantin Novoselov,9 como afirma a Real Academia Sueca, "para experiências inovadoras em relação ao material bidimensional grafeno", destaca a importância desta camada atómica de carbono. Esta descoberta foi considerada um avanço significativo na era da nanotecnologia, trazendo o conceito de componente atómico único mais perto da realidade.

Mesmo antes dos estudos realizados por Novoselov e Geim, foram realizadas várias tentativas para preparar grafite muito fina ou grafenos com várias camadas de carbono, uma vez que era esperado obter propriedades interessantes destes materiais.10 Contudo, havia bastante dificuldade em isolar experimentalmente camadas únicas, de tal forma que se pudessem realizar medições elétricas, e para além disso havia dúvidas se era realmente possível obter tal material. A sua descoberta marcou o início da física experimental com grafeno, o que se tornou então relevante para revisitar com sucesso todos os outros métodos para produzir grafeno que tinham supostamente falhado nas últimas quatro décadas.11-13

A abordagem “top-down” original de esfoliação mecânica da grafite utilizando o método “Scotch tape” permitiu a obtenção de grafenos de elevada qualidade, no entanto o método não permite a obtenção de amostra em grande quantidade e de forma homogénea, ou seja a probabilidade de encontrar folhas individuais de grafeno é frequentemente baixa. A fim de esfoliar uma única folha de grafeno, é necessário quebrar

as ligações de van der Waals entre a primeira e segunda camada sem perturbar as folhas subsequentes.14 Neste sentido outros métodos têm-se destacado dentro deste tipo de abordagem, tais como a esfoliação química da grafite15 ou a esfoliação da grafite através de ultrassons.16 A nível de abordagens “bottom-up” destacam-se como metodologias mais utilizadas e com resultados mais promissores a deposição química de vapor17 e o crescimento epitaxial.18

Cada um destes métodos apresenta vantagens e desvantagens que se baseiam essencialmente em três pilares custo/qualidade/quantidade. Neste momento, a redução de derivados de grafeno tais como o GO destaca-se como uma das principais estratégias que permite a obtenção de grafeno em massa,19-21 embora não isento de defeitos, mas altamente processáveis.

A síntese do GO consiste numa primeira fase na oxidação da grafite a óxido de grafite através da intercalação de grupos funcionais de oxigénio entre os planos de carbono, o que permite um aumento da distância interplanar e consequente enfraquecimento das forças de Van der Walls entre as camadas adjacentes. De forma a levar à separação definitiva das folhas de carbono, o óxido de grafite é sujeito normalmente a um tratamento por ultrassons em solução aquosa, o que permite obter suspensões de GO individualizados, estabilizadas por interações electroestáticas (atrativas e repulsivas). A grande vantagem desta metodologia de síntese é que permite obter grandes quantidades de GO, através de processos relativamente simples e pouco dispendiosos. Através das diversas estratégias de redução disponíveis é possível transformar o GO em grafeno o que oferece enormes oportunidades para o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos.22

Do ponto de vista químico, a presença de grupos funcionais de oxigénio na superfície do GO torna-o muito interessante, pois fornece locais reativos para a realização de modificações químicas através de metodologias sobejamente conhecidas da química de carbono. Neste quadro, é possível realizar o crescimento controlado de cadeias poliméricas com diferentes formas, dimensões, arquiteturas e grupos funcionais através de uma série de diferentes abordagens. São já diversas as abordagens descritas na literatura para o crescimento controlado de cadeias poliméricas na superfície do GO, polimerização in situ,23-30 reações de acoplamento (coupling reaction)31-38 e polimerizações via radicalar (surface-initiated controlled radical polymerization), ATRP39-45 ou RAFT46-49. Efetivamente as duas primeiras abordagens apresentam como grande vantagem a sua simplicidade de síntese, enquanto as abordagens através de polimerização radicalar permitem obter um controlo mais efetivo do peso molecular e

polidispersibilidade das cadeias poliméricas e dos grupos funcionais terminais (formação de copolímeros).

Efetivamente o GO, por causa da sua relativa facilidade de produção, dispersão e manipulação (funcionalização química relativamente simples), começa a emergir como um material versátil para aplicações em nanociências e nanotecnologia, em especial no desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos.50, 51

Este capítulo aborda a síntese do GO através do método de esfoliação química da grafite. Foi também de interesse meramente académico obter grafeno a partir do GO produzido, este procedimento foi realizado através de duas metodologias diferentes a redução térmica e a redução química com o recurso à hidrazina. Durante este processo foram identificados e quantificados os grupos funcionais de oxigénio na camada de carbono dos diferentes materiais.

É também descrita uma metodologia que permite potenciar a aplicação do GO enquanto agente de reforço. Nesse sentido procedeu-se à manipulação química do GO por forma a proporcionar as condições necessárias para o crescimento controlado de cadeias poliméricas de PMMA através do mecanismo de polimerização ATRP. Estes novos materiais nanocompósitos demonstram grande interesse em aplicações como agente de reforço em matrizes poliméricas de PMMA.