A ciência e tecnologia dos nanotubos de carbono



Os nanotubos de carbono são tubos em escala molecular feitos de carbono grafítico e detentores de incríveis propriedades. Eles estão entre as fibras mais duras e fortes atualmente conhecidas, têm notáveis propriedades eletrônicas e muitas outras características únicas. Por estas razões, os nanotubos de carbono têm atraído grande interesse acadêmico e industrial, com milhares de artigos sobre o assunto sendo publicados a cada ano. No entanto, suas aplicações comerciais têm tido um desenvolvimento bem mais lento, principalmente por causa dos altos custos envolvidos na produção dos nanotubos de melhor qualidade.

História

O imenso interesse existente na atualidade pelos nanotubos de carbono é consequência direta da síntese do Buckminsterfulereno, C60, e outros fulerenos em 1985. A descoberta de que o carbono poderia formar estruturas estáveis e ordenadas além do grafite e do diamante estimulou pesquisadores em todo o mundo a procurar por novas formas de carbono. Essa busca ganhou um novo impulso quando, em 1990, foi demonstrado que o C60 poderia ser produzido com uma aparelhagem de evaporação por arco já disponível em qualquer laboratório. E foi utilizando um evaporador que o cientista japonês Sumio Iijima descobriu nanotubos de carbono relacionados com o fulereno em 1991. Os tubos continham ao menos duas camadas ou paredes (normalmente muito mais que isso) e tinham um diâmetro exterior que variava de 3 a 30 nm. Eles eram sempre fechados em suas duas extremidades.

mwnt_swntA imagem à esquerda, feita com um microscópio eletrônico de transmissão, mostra alguns nanotubos de paredes múltiplas. Em 1993, uma nova classe de nanotubo de carbono foi descoberta, apresentando uma única camada. Estes nanotubos de parede única costumavam ser mais estreitos que os de paredes múltiplas, com diâmetros variando entre 1 e 2 nm, e tendiam a ser curvados ao invés de lineares. A imagem à direita apresenta alguns típicos tubos de parede única. Em pouco tempo, concluiu-se que estas novas fibras detinham propriedades excepcionais (veja abaixo), o que desencadeou em uma avalanche de novas pesquisas sobre os nanotubos de carbono. É importante observar, no entanto, que tubos de carbono em nanoescala e produzidos com catalisadores já eram conhecidos muito antes da descoberta do cientista Iijima. A principal razão pela qual estes tubos não despertaram grande interesse num primeiro momento era por conta de sua estrutura bastante imperfeita, não trazendo propriedades particularmente interessantes. As pesquisas mais recentes se concentraram, então, na melhoria da qualidade dos nanotubos produzidos com catalisadores.

Estrutura

Os nanotubos de carbono apresentam uma ligação sp², com cada átomo se unindo a três vizinhos, como no grafite. Assim, os tubos podem ser considerados como folhas de grafeno enroladas (o grafeno é uma camada individual de grafite). Há três maneiras distintas pela qual uma folha de grafeno pode ser enrolada no formato de tubo, conforme demonstrado no diagrama abaixo.

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As primeiras duas maneiras, conhecidas como “poltrona” (primeira imagem à esquerda), e “zig-zag” (segunda imagem à esquerda), apresentam um grau maior de simetria. Os termos “poltrona” e “zig-zag” se referem à disposição dos hexágonos ao redor da circunferência. A terceira classe de tubos, que na prática é a mais comum, é conhecida como quiral, o que significa que ela pode existir em duas formas espelhadas. Um exemplo de um nanotubo em quiral é mostrado na terceira imagem da figura acima.

wedgeA estrutura de um nanotubo pode ser  especificada por um vetor (n, m), que define como a folha de grafeno é enrolada. O conceito pode ser melhor compreendido com a figura ao lado direito. Para se produzir um nanotubo com os índices (6,3), por exemplo, a folha é enrolada de modo que o átomo denominado (0,0) seja sobreposto ao átomo (6,3). Assim, é possível notar na imagem que m = 0 para todos os tubos zig-zag, enquanto n = m para todos os tubos com a estrutura de poltrona.

Síntese

O método da evaporação por arco, capaz de produzir os nanotubos de melhor qualidade, se dá pela passagem de uma corrente de cerca de 50 ampères entre dois eletrodos de grafite em uma atmosfera de hélio. Isso leva à evaporação do grafite, sendo que parte dele se condensa nas paredes do recipiente da reação e outra parte no cátodo. É esta porção depositada no cátodo que contém os nanotubos de carbono. Os nanotubos de parede única são produzidos quando o Co e o Ni (ou outro metal) são adicionados ao ânodo. Já é sabido desde os anos 50, se não antes, que os nanotubos de carbono também podem ser produzidos pela passagem de um gás que contenha carbono, como um hidrocarboneto, por um catalisador. O catalisador é composto de partículas nanométricas de metal, normalmente o ferro, o cobalto ou o níquel. Estas partículas catalisam a quebra das moléculas gasosas em carbono, e um tubo começa a se formar com uma partícula metálica na ponta. Em 1996, foi demonstrado que nanotubos de parede única também podiam ser produzidos com o auxílio de catalisadores. O nível de perfeição dos nanotubos produzidos desta maneira é normalmente mais baixo que aqueles feitos com a evaporação por arco, mas grandes avanços na técnica vêm sendo alcançados nos últimos anos. A grande vantagem da síntese catalítica frente à evaporação por arco é a possibilidade de grande expansão no volume produtivo. O terceiro importante método para fazer nanotubos de carbono envolve o uso de um poderoso laser para vaporizar um alvo composto de metal e grafite. Esta opção pode ser usada para produzir tubos de parede única com um alto rendimento.

Propriedades

A força das ligações sp² de carbono-carbono proporciona incríveis propriedades mecânicas aos nanotubos. A rigidez de um material é medida pelo módulo de Young, sendo a taxa de deformação mediante uma tensão aplicada. O módulo de Young para os melhores nanotubos pode atingir índices como 1000 GPa, algo aproximadamente 5 vezes maior que os valores do aço. A força de tensão, ou tensão de ruptura dos nanotubos pode ser de até 63 GPa, cerca de 50 vezes maior que o aço. Estas propriedades, somadas à leveza dos nanotubos de carbono, dá a eles um potencial imenso para aplicações em setores como o aeroespacial. Já se sugeriu até mesmo que os nanotubos poderiam ser utilizados no “elevador espacial”, um cabo que ligaria a Terra ao espaço e que foi proposto pela primeira vez por Arthur C. Clarke. As propriedades eletrônicas dos nanotubos de carbono também são extraordinárias. Algo especialmente notável é o fato dos nanotubos poderem ser metálicos ou semicondutores, dependendo de sua estrutura. Desta forma, alguns nanotubos têm condutividades maiores do que a do cobre, enquanto outros podem se comportar de maneira mais parecida com o silício. Há grande interesse na possibilidade de se construir dispositivos eletrônicos em nanoescala a partir dos nanotubos, e algum progresso já vem sendo feito nesta área. No entanto, para desenvolver um dispositivo realmente útil, seria necessário organizar muitos milhares de nanotubos em um padrão determinado, algo para o qual ainda não detemos o nível de controle necessário atualmente. Há várias áreas tecnológicas onde os nanotubos de carbono já estão sendo utilizados. Entre elas, podemos citar os monitores de tela plana, microscópios de varredura por sonda (SPM) e dispositivos sensores. As características exclusivas dos nanotubos de carbono certamente os levarão a muitas outras utilizações.

Os “nanochifres” ou “nanohorns”

Cones de carbono de parede única com morfologia semelhante a “tampas de nanotubo” foram preparados pela primeira vez por Peter Herris, Edman Tsang e seus colegas em 1994 (clique aqui para ver nosso artigo). Eles não foram descobertos pelos cientistas da NEC, como declarado em um comunicado à imprensa. Os cones foram produzidos pelo tratamento em altas temperaturas da fuligem do fulereno. Clique aqui para visualizar uma imagem típica. Posteriormente, o grupo de pesquisa do cientista Sumio Iijima demonstrou que eles também poderiam ser produzidos por ablação a laser do grafite, e batizaram os cones de carbono de “nanochifres”, ou “nanohorns” em inglês. O grupo demonstrou ainda que os nanochifres contam com incríveis propriedades adsorventes e catalisadoras, e que podem ser utilizados como componentes de uma próxima geração de células de combustível. Para mais detalhes, consulte esta nota à imprensa da NEC e este artigo da CNN.

Fonte: http://www.personal.reading.ac.uk/~scsharip/tubes.htm