Visualizações: 0 Autor: Editor do site Horário de publicação: 26/08/2022 Origem: Site
Os nanomateriais de carbono podem substituir o silício nos chips de computador e mudar muitas outras indústrias, mas por que razão permanecem à beira da comercialização?
Nos últimos 20 anos, foram feitas grandes descobertas em materiais de nanocarbono – compostos por substâncias individuais com dimensões entre 1 e 100 nanómetros – abrindo uma vasta gama de possibilidades, desde a nanocomputação até aos implantes médicos inteligentes.
Devido à sua resistência e condutividade únicas, os nanomateriais de carbono têm potencial para substituir o silício em chips de computador.
No entanto, a comercialização de novos materiais é muito difícil. Levar resultados laboratoriais para produção em larga escala é um processo longo e arriscado, semelhante a trazer um novo medicamento para o mercado.
No caso dos nanomateriais de carbono, as questões de condutividade e os desafios de produção significam que os chips de computador baseados em nanomateriais de carbono podem estar mais distantes do que inicialmente esperado.
Startups, departamentos de P&D e laboratórios universitários estão atualmente desenvolvendo e lançando materiais exclusivos de nanocarbono.
Grafeno e Nanotubos de Carbono
Devido ao seu pequeno tamanho, os nanomateriais têm propriedades incomparáveis aos materiais a granel convencionais, incluindo uma elevada relação resistência-peso (ou seja, alta resistência, mas leve) e excelente conectividade elétrica.
Os nanomateriais à base de carbono – especialmente o grafeno e os nanotubos de carbono – têm demonstrado grande potencial como alternativas a vários materiais industriais.
O grafeno é uma camada de carbono com a espessura de um único átomo disposta em uma estrutura em favo de mel.
Nanotubos de carbono (CNTs) são folhas de grafeno dispostas em uma estrutura tubular.
Os nanotubos de carbono foram descobertos pela primeira vez no início da década de 1990, mas o grafeno só foi isolado em 2004 por cientistas da Universidade de Manchester.
Os nanotubos de grafeno e de carbono tiveram diferentes caminhos de desenvolvimento ao longo dos anos, apesar de suas propriedades e aplicações semelhantes.
O grafeno é o material mais forte já medido. Ele tem uma excelente relação resistência-peso, conduz eletricidade próxima à de um supercondutor e é quase transparente. Indústrias aeroespaciais, de semicondutores e de equipamentos esportivos estão investigando como o grafeno pode ser usado para melhorar o desempenho.
Aerogel de grafeno, um dos materiais mais leves do mundo
Impulsionada pela indústria de semicondutores, a pesquisa relacionada ao CNT tornou-se mais concentrada. A IBM dedicou recursos significativos ao desenvolvimento de nanotubos de carbono para uso em chips de computador.
Grafeno VC 'Redução da febre'
De 2007 a 2015, o financiamento para startups de grafeno aumentou de forma constante. No entanto, a queda nos negócios e no financiamento de 2016 não foi totalmente recuperada.
Este declínio reflecte a típica perda de atractividade no desenvolvimento de materiais avançados, onde a tecnologia fica então presa entre a descoberta e a comercialização.
As startups neste espaço estão trabalhando para desenvolver produtos específicos de grafeno – como baterias, dispositivos médicos e eletrônicos – ou estão encontrando maneiras de produzir eficientemente o material para uso geral.
Por exemplo, a Vorbeck Materials está desenvolvendo tintas e revestimentos à base de grafeno para o mercado de eletrônicos impressos. Os produtos de grafeno da empresa podem ser usados em eletrônicos vestíveis, RFID (identificação por radiofrequência), sensores e outras aplicações.
Do lado da produção, a XG Sciences, que recebeu financiamento da Dow Ventures e Samsung Ventures, fabrica e vende materiais de grafeno. O processo proprietário da empresa cria pequenas pilhas de folhas de grafeno chamadas 'nanofolhas', que são usadas como aditivos para diversas aplicações.
O financiamento relacionado à CNT também está diminuindo
As startups também estão desenvolvendo tecnologia de nanotubos de carbono, embora poucas empresas tenham entrado na área.
As startups focadas em nanotubos de carbono também registaram uma queda no financiamento após 2015, possivelmente pelas mesmas razões que o financiamento do grafeno despencou. Após anos de investimento em I&D, os nanotubos de carbono encontraram obstáculos técnicos.
Nantero é uma das startups CNT mais bem financiadas e ambiciosas.A empresa desenvolveu NRAM (memória de acesso aleatório não volátil) usando CNT, que espera substituir DRAM (memória dinâmica de acesso aleatório) e memória flash como os principais dispositivos de armazenamento de semicondutores.
Nantero acredita que a tecnologia CNT pode ser usada para fabricar chips com densidades mais altas do que os materiais semicondutores convencionais, aumentando significativamente a velocidade e a memória.
A Nantero licenciou a sua tecnologia à Fujitsu, dando um passo em direcção à comercialização. No entanto, ainda é necessário ultrapassar obstáculos técnicos e de mercado antes que os nanotubos de carbono possam ser amplamente utilizados na computação de ponta.
As empresas preferem realizar atividades internas de P&D em vez de começar a investir
Todas as principais empresas de semicondutores estão trabalhando em grafeno para chips e baterias. De acordo com o mecanismo de busca de patentes da CBinsights, a Samsung é o maior fabricante de semicondutores com mais de 200 patentes relacionadas ao grafeno.
Os nanotubos de carbono receberam investimentos substanciais em P&D da indústria de semicondutores e de grandes empresas de tecnologia. A IBM detém mais de 200 patentes relacionadas a nanotubos de carbono e investiu pesadamente no desenvolvimento do material.
No campo aeroespacial, o grafeno mostrou excelentes propriedades como aditivo para materiais compósitos, como fibras de carbono. Um estudo de 2010 do Rensselaer Polytechnic Institute descobriu que o grafeno supera os nanotubos de carbono, tornando os compósitos mais fortes, mais fortes e menos propensos a defeitos.
A Airbus também investiu em pesquisas relacionadas ao grafeno e possui 6 patentes relacionadas ao grafeno.
Barreiras técnicas impedem aplicações
Atualmente, os nanotubos de grafeno e de carbono são difíceis de transferir do laboratório para a produção em larga escala e de explorar as propriedades únicas dos seus materiais.
Por exemplo, o grafeno conduz eletricidade melhor que o silício ou o cobre. Combinada com sua resistência, peso e transparência, a condutividade elétrica do grafeno torna possível substituir chips de computador baseados em silício e melhorar a eletrônica cotidiana.
Mas há um problema: o grafeno é um semicondutor “sem intervalos”, o que significa que o fluxo de corrente através do material não pode ser interrompido. Os fabricantes de chips de computador tiveram que introduzir um “gap de banda” nos chips de silício, o que permitiu aos usuários desligar o dispositivo, interrompendo o fluxo de elétrons.
Durante algum tempo, os métodos utilizados para introduzir band gaps no grafeno foram ineficientes ou alteraram o material e as propriedades superiores associadas desapareceram.
Em abril de 2018, cientistas liderados pelo Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia introduziram um método para cultivar materiais de “grafeno” com lacunas de bandas. Este passo importante no desenvolvimento de chips à base de grafeno ocorreu quase 15 anos após a descoberta inicial do grafeno em 2004, demonstrando a dificuldade e o tempo necessários para desenvolver novos materiais.
Os nanotubos de carbono têm lacunas de banda que os tornam fáceis de incorporar em chips de computador – mas a produção em massa é uma questão crucial.
Manipular os bilhões de estruturas minúsculas em nanotubos de carbono é extremamente difícil porque a orientação dos nanotubos deve ser controlada para aproveitar suas propriedades únicas. Antes da adoção generalizada, são necessários métodos de produção aprimorados para fornecer nanotubos de carbono uniformes e livres de defeitos.
Barreiras de mercado: o silício continua importante na computação
As barreiras de mercado à adopção de nanomateriais de carbono podem ser mais desafiantes do que os desafios técnicos. Os novos materiais enfrentam cepticismo e estagnação à medida que tentam encaixar-se nas cadeias de abastecimento existentes.
Amanda Barnard, física responsável pela Organização de Investigação Científica e Industrial da Commonwealth da Austrália, disse numa entrevista em 2014: “Já recebemos triliões de dólares em investimentos de chips de silício globais e não vamos abandonar este campo lucrativo. '
Instalação de fabricação de semicondutores Samsung de US$ 3,5 bilhões, Austin, Texas, EUA
Os intervenientes existentes irão melhorar os produtos existentes ou ignorar novos materiais antes de desistirem de continuar a investir. A substituição abrangente dos materiais existentes pelo grafeno provavelmente levará muito tempo para alcançar aplicações sinérgicas com materiais como o silício.
Outro obstáculo é a padronização.Uma análise recente de 60 produtos de grafeno pelo Graphene Council revelou que mais de 75% não tinham nenhuma propriedade material única.A padronização precisa ser introduzida se os fabricantes quiserem vender grafeno de forma eficaz.
Além disso, se o material for atualizado como substituto, o preço do grafeno terá que despencar. O grafeno é escasso e caro hoje em dia, mas precisa ser transformado em um material semelhante a uma commodity para se tornar uma alternativa viável aos semicondutores à base de silício.
Quando isso acontecer, as startups focadas no grafeno podem não ser capazes de competir em preço. As startups menores de grafeno podem fechar as portas ou enfrentar aquisições por fabricantes de semicondutores, como empresas de materiais como a Dow Chemical, que podem querer aumentar a capacidade do grafeno.
