Nanotubo de carbono

Uma imagem de microscopia de varredura de um nanotube de carbono de parede única

Rotação de nanotube de carbono de zigzag de parede única

Um nanotubo de carbono (CNT) é um tubo feito de carbono com diâmetros normalmente medidos em nanômetros.

Nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) são um dos alótropos de carbono, intermediários entre gaiolas de fulereno e grafeno plano, com diâmetros na faixa de um nanômetro. Embora não sejam feitos dessa maneira, os nanotubos de carbono de parede única podem ser idealizados como recortes de uma rede hexagonal bidimensional de átomos de carbono enrolados ao longo de um dos vetores da rede Bravais da rede hexagonal para formar um cilindro oco. Nesta construção, as condições de contorno periódicas são impostas ao longo do comprimento deste vetor roll-up para produzir uma rede helicoidal de átomos de carbono perfeitamente ligados na superfície do cilindro.

Nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs) consistindo em nanotubos de carbono de parede única aninhados fracamente unidos por interações de van der Waals em uma estrutura semelhante a um anel de árvore. Se não forem idênticos, esses tubos são muito semelhantes às longas camadas de carbono retas e paralelas de Oberlin, Endo e Koyama dispostas cilindricamente em torno de um tubo oco. Nanotubos de carbono de parede múltipla também são usados às vezes para se referir a nanotubos de carbono de parede dupla e tripla.

Os nanotubos de carbono também podem se referir a tubos com uma estrutura de parede de carbono indeterminada e diâmetros inferiores a 100 nanômetros. Esses tubos foram descobertos em 1952 por Radushkevich e Lukyanovich.

O comprimento de um nanotubo de carbono produzido por métodos de produção comuns geralmente não é relatado, mas geralmente é muito maior que seu diâmetro. Assim, para muitos propósitos, os efeitos finais são negligenciados e o comprimento dos nanotubos de carbono é considerado infinito.

Nanotubos de carbono podem exibir condutividade elétrica notável, enquanto outros são semicondutores. Eles também têm excepcional resistência à tração e condutividade térmica por causa de sua nanoestrutura e força das ligações entre os átomos de carbono. Além disso, eles podem ser modificados quimicamente. Espera-se que essas propriedades sejam valiosas em muitas áreas da tecnologia, como eletrônica, ótica, materiais compostos (substituindo ou complementando fibras de carbono), nanotecnologia e outras aplicações da ciência dos materiais.

Enrolar uma estrutura hexagonal ao longo de diferentes direções para formar diferentes nanotubos de carbono de parede única infinitamente longos mostra que todos esses tubos não apenas têm simetria helicoidal, mas também translacional ao longo do eixo do tubo e muitos também têm simetria rotacional não trivial sobre esse eixo. Além disso, a maioria é quiral, o que significa que o tubo e sua imagem espelhada não podem ser sobrepostos. Essa construção também permite que os nanotubos de carbono de parede simples sejam rotulados por um par de números inteiros.

Um grupo especial de nanotubos de carbono aquirais de parede única são metálicos, mas todo o resto são semicondutores de intervalo de banda pequeno ou moderado. Essas propriedades elétricas, no entanto, não dependem se a treliça hexagonal é enrolada de trás para frente ou de frente para trás e, portanto, são as mesmas para o tubo e sua imagem no espelho.

As notáveis propriedades previstas para os SWCNTs eram tentadoras, mas faltava um caminho para criá-las até 1993, quando Iijima e Ichihashi da NEC e Bethune et al. na IBM descobriram independentemente que a co-vaporização de carbono e metais de transição, como ferro e cobalto, poderia catalisar especificamente a formação de SWCNT. Essas descobertas desencadearam pesquisas que conseguiram aumentar muito a eficiência da técnica de produção catalítica e levaram a uma explosão de trabalho para caracterizar e encontrar aplicações para SWCNTs.

Estrutura de SWNTs

Zigzag nanotube, configuração (8, 0)

nanotube da cadeira do braço, configuração (4, 4)

Detalhes básicos

Uma representação "sliced e unrolled" de um nanotube de carbono como uma tira de uma molécula de grafeno, sobreposta no diagrama da molécula completa (fundo falso). A seta mostra a lacuna A2 onde o átomo A1 em uma borda da tira se encaixaria na borda oposta, como a tira é enrolada

Os vetores de base u e v dos pares (n,m) que definem estruturas nanotube de carbono não-isomorfo (pontos vermelhos), e os pares que definem os enantiômeros dos quirais (pontos azuis)

A estrutura de um nanotubo de carbono de parede única ideal (infinitamente longo) é a de uma rede hexagonal regular desenhada em uma superfície cilíndrica infinita, cujos vértices são as posições dos átomos de carbono. Uma vez que o comprimento das ligações carbono-carbono é bastante fixo, existem restrições no diâmetro do cilindro e no arranjo dos átomos nele.

No estudo de nanotubos, define-se um caminho em zigue-zague em uma rede semelhante ao grafeno como um caminho que gira 60 graus, alternando para a esquerda e para a direita, após passar por cada ligação. Também é convencional definir um caminho de poltrona como aquele que faz duas curvas de 60 graus à esquerda, seguidas de duas curvas à direita a cada quatro passos. Em alguns nanotubos de carbono, existe um caminho em zigue-zague fechado que contorna o tubo. Diz-se que o tubo é do tipo ziguezague ou configuração, ou simplesmente é um nanotubo ziguezague. Se o tubo estiver circundado por um caminho de poltrona fechado, diz-se que é do tipo armchair ou um nanotubo de poltrona. Um nanotubo infinito do tipo ziguezague (ou poltrona) consiste inteiramente de caminhos fechados em ziguezague (ou poltrona), conectados entre si.

As configurações em zigue-zague e poltrona não são as únicas estruturas que um nanotubo de parede única pode ter. Para descrever a estrutura de um tubo geral infinitamente longo, deve-se imaginá-lo sendo aberto por um corte paralelo ao seu eixo, que passa por algum átomo A e depois desenrolado no plano, de modo que seus átomos e ligações coincidem com os de uma folha de grafeno imaginária - mais precisamente, com uma faixa infinitamente longa dessa folha. As duas metades do átomo A terminarão em bordas opostas da tira, sobre dois átomos A1 e A2 do grafeno. A linha de A1 a A2 corresponderá à circunferência do cilindro que passou pelo átomo A e será perpendicular às arestas de a faixa. Na rede do grafeno, os átomos podem ser divididos em duas classes, dependendo das direções de suas três ligações. Metade dos átomos tem suas três ligações direcionadas da mesma maneira, e metade tem suas três ligações giradas 180 graus em relação à primeira metade. Os átomos A1 e A2, que correspondem ao mesmo átomo A no cilindro, devem estar na mesma classe. Segue-se que a circunferência do tubo e o ângulo da tira não são arbitrários, porque estão restritos aos comprimentos e direções das linhas que conectam pares de átomos de grafeno da mesma classe.

Seja u e v dois vetores linearmente independentes que conectam o átomo de grafeno A1 a dois de seus átomos mais próximos com as mesmas direções de ligação. Ou seja, se numeramos carbonos consecutivos em torno de uma célula de grafeno com C1 a C6, então u pode ser o vetor de C1 a C3 e v seja o vetor de C1 a C5. Então, para qualquer outro átomo A2 com a mesma classe que A1, o vetor de A1 a A2 pode ser escrito como uma combinação linear n u + m v, onde n e m são inteiros. E, inversamente, cada par de inteiros (n,m) define uma posição possível para A2. Dados n e m, pode-se inverter essa operação teórica desenhando o vetor w na rede do grafeno, cortando uma tira deste último ao longo de linhas perpendiculares a w através de suas extremidades A1 e A2, e rolando a tira em um cilindro de modo a aproximar esses dois pontos. Se esta construção for aplicada a um par (k,0), o resultado é um nanotubo em ziguezague, com caminhos em ziguezague fechados de 2k átomos. Se for aplicado a um par (k,k), obtém-se um tubo poltrona, com caminhos poltrona fechados de 4k átomos.

Tipos

a estrutura do nanotubo não é alterada se a tira for girada 60 graus no sentido horário em torno de A1 antes de aplicar a reconstrução hipotética acima. Tal rotação muda o par correspondente (n,m) para o par (−2m,n+ m). Segue-se que muitas posições possíveis de A2 em relação a A1 — isto é, muitos pares (n,m) — correspondem ao mesmo arranjo de átomos no nanotubo. É o caso, por exemplo, dos seis pares (1,2), (−2,3), (−3,1), (−1,−2), (2,−3) e (3,-1). Em particular, os pares (k,0) e (0,k) descrevem a mesma geometria do nanotubo. Essas redundâncias podem ser evitadas considerando apenas pares (n,m) tais que n > 0 e m ≥ 0; isto é, onde a direção do vetor w está entre as de u (inclusive) e v (exclusivo). Pode-se verificar que todo nanotubo possui exatamente um par (n,m) que satisfaz essas condições, que é chamado de tipo. Por outro lado, para cada tipo existe um nanotubo hipotético. Na verdade, dois nanotubos têm o mesmo tipo se e somente se um puder ser conceitualmente rotacionado e transladado de modo a corresponder exatamente ao outro. Em vez do tipo (n,m), a estrutura de um nanotubo de carbono pode ser especificada fornecendo o comprimento do vetor w (ou seja, a circunferência do nanotubo) e o ângulo α entre as direções de u e w, pode variar de 0 (inclusive) a 60 graus no sentido horário (exclusivo). Se o diagrama for desenhado com u na horizontal, o último é a inclinação da tira para longe da vertical.

nanotube quiral do tipo (3,1)

nanotube quiral do tipo (1,3), imagem de espelho do tipo (3,1)

Nanotube do tipo (2,2), o mais estreito "armchair" um

Nanotube do tipo (3,0), o mais estreito "zigzag" um

Quiralidade e simetria do espelho

Um nanotubo é quiral se for do tipo (n,m), com m > 0 e m ≠ n; então seu enantiômero (imagem espelhada) tem tipo (m,n), que é diferente de (n,m). Esta operação corresponde a espelhar a tira desenrolada sobre a linha L até A1 que faz um ângulo de 30 graus no sentido horário a partir da direção do u (ou seja, com a direção do vetor u+v). Os únicos tipos de nanotubos que são aquirais são os (k,0) "zigue-zague" tubos e a (k,k) "poltrona" tubos. Se dois enantiômeros devem ser considerados a mesma estrutura, então pode-se considerar apenas tipos (n,m) com 0 ≤ m ≤ n e n > 0. Em seguida, o ângulo α entre u e w, que pode variar de 0 a 30 graus (incluindo ambos), é chamado de "ângulo quiral" do nanotubo.

Circunferência e diâmetro

De n e m pode-se também calcular a circunferência c, que é o comprimento do vetor w , que acabou sendo:

$Não. c=left|{boldsymbol {u}}right|{sqrt {(n^{2}+nm+m^{2})}}approx 246{sqrt {((n+m)^{2}-nm)}}}$

em picometres. O diâmetro $Não.$ do tubo é então $- Não.$, isto é

${displaystyle dapprox 78.3{sqrt {((n+m)^{2}-nm)}}}$

também em picômetros. (Essas fórmulas são apenas aproximadas, especialmente para n e m pequenos, onde as ligações são deformadas; e não levam em consideração a espessura da parede.)

O ângulo de inclinação α entre u e w e a circunferência < i>c estão relacionados aos índices de tipo n e m por:

${displaystyle alpha ;=;arg(n+m/2,,m{sqrt {3}}/2);=;mathop {mathrm {arc} } cos {frac (n+m/2)$

onde arg(x,y) é o ângulo no sentido horário entre o eixo X e o vetor (x i>,y); uma função que está disponível em muitas linguagens de programação como atan2(y,x). Por outro lado, dado c e α, pode-se obter o tipo (n,m) pelas fórmulas:

${displaystyle m={frac {2c}{sqrt {3}}}sin alpha quad quad n=ccos alpha -{frac Não.$

que deve ser avaliado como inteiros.

Limites físicos

Exemplos mais restritos

Tipos de tubo que são "degenerados" por ser muito estreito

Degenerar "zigzag" tipo de tubo (1,0)

Degenerar "zigzag" tipo de tubo (2,0)

Degenerar "armchair" tipo de tubo (1,1)

Possivelmente degenerado tipo de tubo chiral (2,1)

Se n e m forem muito pequenos, a estrutura descrita pelo par (n,m) descreverá uma molécula que não pode ser razoavelmente chamada de "tubo" e pode até não ser estável. Por exemplo, a estrutura descrita teoricamente pelo par (1,0) (do tipo "zigue-zague" limitante) seria apenas uma cadeia de carbonos. Essa é uma molécula real, o carbyne; que tem algumas características de nanotubos (como hibridização orbital, alta resistência à tração, etc.) — mas não tem espaço oco e pode não ser obtido como uma fase condensada. O par (2,0) produziria teoricamente uma cadeia de 4 ciclos fundidos; e (1,1), a "poltrona" estrutura, produziria uma cadeia de 4 anéis bi-conectados. Estas estruturas podem não ser realizáveis.

O nanotubo de carbono mais fino propriamente dito é a estrutura da poltrona com tipo (2,2), que tem um diâmetro de 0,3 nm. Este nanotubo foi cultivado dentro de um nanotubo de carbono de paredes múltiplas. A atribuição do tipo de nanotubo de carbono foi feita por uma combinação de cálculos de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), espectroscopia Raman e teoria funcional de densidade (DFT).

O nanotubo de carbono de parede única autônomo mais fino tem cerca de 0,43 nm de diâmetro. Os pesquisadores sugeriram que pode ser (5,1) ou (4,2) SWCNT, mas o tipo exato do nanotubo de carbono permanece questionável. (3,3), (4,3) e (5,1) nanotubos de carbono (todos com cerca de 0,4 nm de diâmetro) foram identificados inequivocamente usando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução corrigida por aberração dentro de CNTs de parede dupla.

Comprimento

Cicloparafeno

A observação dos nanotubos de carbono mais longos crescidos até agora, cerca de 0,5 metro (550 mm) de comprimento, foi relatada em 2013. Esses nanotubos foram cultivados em substratos de silício usando uma deposição de vapor químico aprimorada (CVD) e representam matrizes eletricamente uniformes de nanotubos de carbono de parede simples.

O nanotubo de carbono mais curto pode ser considerado o composto orgânico cicloparafenileno, sintetizado em 2008 por Ramesh Jasti. Outros nanotubos de carbono de moléculas pequenas foram sintetizados desde então.

Densidade

A maior densidade de CNTs foi alcançada em 2013, cultivada em uma superfície condutora de cobre revestida com titânio que foi revestida com cocatalisadores cobalto e molibdênio a temperaturas abaixo das típicas de 450 °C. Os tubos tinham uma altura média de 380 nm e uma densidade de massa de 1,6 g cm⁻³. O material apresentou condutividade ôhmica (menor resistência ~22 kΩ).

Variantes

Não há consenso sobre alguns termos que descrevem os nanotubos de carbono na literatura científica: tanto "-parede" e "-parede" estão sendo usados em combinação com "single", "double", "triple" ou "multi", e a letra C é frequentemente omitida na abreviatura, por exemplo, nanotubo de carbono de paredes múltiplas (MWNT). A International Standards Organization usa parede única ou parede múltipla em seus documentos.

Múltiplas paredes

Poltrona de parede tripla nanotube carbono

Nanotubos de paredes múltiplas (MWNTs) consistem em múltiplas camadas laminadas (tubos concêntricos) de grafeno. Existem dois modelos que podem ser usados para descrever as estruturas de nanotubos de paredes múltiplas. No modelo Russian Doll, as folhas de grafite são dispostas em cilindros concêntricos, por exemplo, um nanotubo de parede simples (0,8) dentro de um nanotubo de parede única maior (0,17). No modelo Pergaminho, uma única folha de grafite é enrolada em torno de si mesma, lembrando um rolo de pergaminho ou um jornal enrolado. A distância entre as camadas em nanotubos de paredes múltiplas é próxima à distância entre as camadas de grafeno no grafite, aproximadamente 3,4 Å. A estrutura da Boneca Russa é observada mais comumente. Seus invólucros individuais podem ser descritos como SWNTs, que podem ser metálicos ou semicondutores. Por causa da probabilidade estatística e das restrições nos diâmetros relativos dos tubos individuais, uma das cascas e, portanto, todo o MWNT, geralmente é um metal com folga zero.

Os nanotubos de carbono de parede dupla (DWNTs) formam uma classe especial de nanotubos porque sua morfologia e propriedades são semelhantes às dos SWNTs, mas são mais resistentes a ataques de produtos químicos. Isso é especialmente importante quando é necessário enxertar funções químicas na superfície dos nanotubos (funcionalização) para agregar propriedades ao NTC. A funcionalização covalente de SWNTs quebrará algumas ligações duplas C=C, deixando "buracos" na estrutura do nanotubo e assim modificando suas propriedades mecânicas e elétricas. No caso dos DWNTs, apenas a parede externa é modificada. A síntese de DWNT em escala de grama pela técnica CCVD foi proposta pela primeira vez em 2003 a partir da redução seletiva de soluções de óxido em metano e hidrogênio.

A capacidade de movimento telescópico das conchas internas e suas propriedades mecânicas únicas permitirão o uso de nanotubos de paredes múltiplas como os principais braços móveis nos próximos dispositivos nanomecânicos. A força de retração que ocorre ao movimento telescópico é causada pela interação de Lennard-Jones entre as cascas, e seu valor é de cerca de 1,5 nN.

Junções e reticulação

Imagem do microscópio do elétron da transmissão da junção do nanotube do carbono

Junções entre dois ou mais nanotubos têm sido amplamente discutidas teoricamente. Tais junções são observadas com bastante frequência em amostras preparadas por descarga de arco, bem como por deposição química de vapor. As propriedades eletrônicas de tais junções foram inicialmente consideradas teoricamente por Lambin et al., que apontaram que uma conexão entre um tubo metálico e um semicondutor representaria uma heterojunção em nanoescala. Tal junção poderia, portanto, formar um componente de um circuito eletrônico baseado em nanotubos. A imagem adjacente mostra uma junção entre dois nanotubos de paredes múltiplas.

As junções entre nanotubos e grafeno têm sido consideradas teoricamente e estudadas experimentalmente. As junções nanotubo-grafeno formam a base do grafeno com pilares, no qual folhas paralelas de grafeno são separadas por nanotubos curtos. O grafeno com pilares representa uma classe de arquiteturas tridimensionais de nanotubos de carbono.

andaimes de carbono 3D

Recentemente, vários estudos destacaram a perspectiva de usar nanotubos de carbono como blocos de construção para fabricar dispositivos tridimensionais macroscópicos (>100 nm em todas as três dimensões) totalmente de carbono. Lalwani et al. relataram um novo método de reticulação térmica iniciada por radicais para fabricar andaimes de carbono macroscópicos, independentes e porosos, usando nanotubos de carbono de paredes simples e múltiplas como blocos de construção. Esses andaimes possuem poros macro, micro e nanoestruturados, e a porosidade pode ser adaptada para aplicações específicas. Esses andaimes/arquiteturas 3D totalmente em carbono podem ser usados para a fabricação da próxima geração de armazenamento de energia, supercapacitores, transistores de emissão de campo, catálise de alto desempenho, energia fotovoltaica e dispositivos biomédicos, implantes e sensores.

Outras morfologias

Uma estrutura nanobud estável

Nanobuds de carbono são um material recém-criado que combina dois alótropos de carbono descobertos anteriormente: nanotubos de carbono e fulerenos. Neste novo material, "botões" estão ligados covalentemente às paredes laterais externas do nanotubo de carbono subjacente. Este material híbrido tem propriedades úteis de fulerenos e nanotubos de carbono. Em particular, verificou-se que são emissores de campo excepcionalmente bons. Em materiais compósitos, as moléculas de fulereno ligadas podem funcionar como âncoras moleculares impedindo o deslizamento dos nanotubos, melhorando assim as propriedades mecânicas do compósito.

Um peapod de carbono é um novo material híbrido de carbono que aprisiona o fulereno dentro de um nanotubo de carbono. Pode possuir propriedades magnéticas interessantes com aquecimento e irradiação. Também pode ser aplicado como um oscilador durante investigações e previsões teóricas.

Em teoria, um nanotorus é um nanotubo de carbono dobrado em um toro (formato de rosquinha). Prevê-se que os Nanotori tenham muitas propriedades únicas, como momentos magnéticos 1000 vezes maiores do que o esperado anteriormente para certos raios específicos. Propriedades como momento magnético, estabilidade térmica, etc. variam amplamente dependendo do raio do toro e do raio do tubo.

Os nanotubos de carbono grafentados são um híbrido relativamente novo que combina folhagens grafíticas cultivadas ao longo das paredes laterais de CNTs de paredes múltiplas ou estilo bambu. A densidade foliar pode variar em função das condições de deposição (por exemplo, temperatura e tempo) com sua estrutura variando de algumas camadas de grafeno (< 10) a mais espessas, mais parecidas com grafite. A vantagem fundamental de uma estrutura integrada de grafeno-CNT é a estrutura tridimensional de alta área superficial dos CNTs, juntamente com a alta densidade de borda do grafeno. Depositar uma alta densidade de folhas de grafeno ao longo do comprimento de CNTs alinhados pode aumentar significativamente a capacidade de carga total por unidade de área nominal em comparação com outras nanoestruturas de carbono.

Os nanotubos de carbono cup-stacked (CSCNTs) diferem de outras estruturas de carbono quasi-1D, que normalmente se comportam como condutores quase metálicos de elétrons. Os CSCNTs exibem comportamento semicondutor por causa da microestrutura de empilhamento das camadas de grafeno.

Propriedades

Muitas propriedades dos nanotubos de carbono de parede simples dependem significativamente do tipo (n,m), e essa dependência não é monotônica (veja gráfico de Kataura). Em particular, o gap pode variar de zero a cerca de 2 eV e a condutividade elétrica pode apresentar comportamento metálico ou semicondutor.

Mecânica

Uma imagem de microscopia eletrônica de varredura de feixes de nanotube de carbono

Os nanotubos de carbono são os materiais mais fortes e rígidos já descobertos em termos de resistência à tração e módulo de elasticidade. Essa força resulta das ligações sp² covalentes formadas entre os átomos de carbono individuais. Em 2000, um nanotubo de carbono de paredes múltiplas foi testado para ter uma resistência à tração de 63 gigapascais (9.100.000 psi). (Para ilustração, isso se traduz na capacidade de suportar a tensão de um peso equivalente a 6.422 quilogramas-força (62.980 N; 14.160 lbf) em um cabo com seção transversal de 1 milímetro quadrado (0,0016 sq in)). Estudos posteriores, como o realizado em 2008, revelaram que os invólucros CNT individuais têm resistências de até ≈100 gigapascais (15.000.000 psi), o que está de acordo com os modelos quânticos/atomísticos. Como os nanotubos de carbono têm uma densidade baixa para um sólido de 1,3 a 1,4 g/cm³, sua resistência específica de até 48.000 kN·m·kg⁻¹ é a melhor de materiais conhecidos, em comparação com aço de alto carbono de 154 kN·m·kg⁻¹.

Embora a resistência das cascas individuais de CNT seja extremamente alta, interações de cisalhamento fracas entre cascas e tubos adjacentes levam a uma redução significativa na resistência efetiva de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e feixes de nanotubos de carbono para apenas alguns GPa. Essa limitação foi recentemente abordada pela aplicação de irradiação de elétrons de alta energia, que reticula camadas e tubos internos e aumenta efetivamente a resistência desses materiais para ≈60 GPa para nanotubos de carbono de paredes múltiplas e ≈17 GPa para feixes de nanotubos de carbono de parede dupla. CNTs não são tão fortes sob compressão. Por causa de sua estrutura oca e alta relação de aspecto, eles tendem a sofrer flambagem quando colocados sob tensão de compressão, torção ou flexão.

Por outro lado, há evidências de que na direção radial eles são bastante macios. A primeira observação de microscopia eletrônica de transmissão da elasticidade radial sugeriu que mesmo as forças de van der Waals podem deformar dois nanotubos adjacentes. Mais tarde, nanoindentações com um microscópio de força atômica foram realizadas por vários grupos para medir quantitativamente a elasticidade radial de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e microscopia de força atômica no modo de toque/contato também foi realizada em nanotubos de carbono de parede única. O módulo de Young da ordem de vários GPa mostrou que os CNTs são de fato muito macios na direção radial.

Foi relatado em 2020 que os nanocompósitos de polímeros preenchidos com CNT com cargas de 4% em peso e 6% em peso são as concentrações mais ideais, pois fornecem um bom equilíbrio entre as propriedades mecânicas e a resiliência das propriedades mecânicas contra a exposição aos raios UV para o umbilical offshore camada de revestimento.

Elétrico

Estruturas de banda computadas usando aproximação de ligação apertada para (6,0) CNT (zigzag, metálico), (10,2) CNT (semiconducting) e (10,10) CNT (armchair, metálico)

Ao contrário do grafeno, que é um semimetal bidimensional, os nanotubos de carbono são metálicos ou semicondutores ao longo do eixo tubular. Para um determinado nanotubo (n,m), se n = m, o nanotubo é metálico; se n − m for um múltiplo de 3 e n ≠ m, então o nanotubo é quase metálico com um intervalo de banda muito pequeno, caso contrário, o nanotubo é um semicondutor moderado. Assim, todos os nanotubos de poltrona (n = m) são metálicos, e os nanotubos (6,4), (9,1), etc. são semicondutores. Os nanotubos de carbono não são semimetálicos porque o ponto degenerado (o ponto onde a banda π [ligação] encontra a banda π* [antiligação], na qual a energia vai para zero) é ligeiramente deslocado para longe do K na zona de Brillouin devido à curvatura da superfície do tubo, causando hibridação entre as bandas antiligantes σ* e π*, modificando a dispersão das bandas.

A regra em relação ao comportamento metálico versus semicondutor tem exceções porque os efeitos de curvatura em tubos de pequeno diâmetro podem influenciar fortemente as propriedades elétricas. Assim, um SWCNT (5,0) que deveria ser semicondutor de fato é metálico pelos cálculos. Da mesma forma, SWCNTs em zigue-zague e quirais com diâmetros pequenos que deveriam ser metálicos têm uma lacuna finita (os nanotubos de poltrona permanecem metálicos). Em teoria, os nanotubos metálicos podem transportar uma densidade de corrente elétrica de 4 × 10⁹ A/cm², que é mais de 1.000 vezes maior que a de metais como o cobre, onde para interconexões de cobre, as densidades de corrente são limitadas pela eletromigração. Os nanotubos de carbono estão sendo explorados como interconexões e componentes de aumento de condutividade em materiais compósitos, e muitos grupos estão tentando comercializar fios elétricos altamente condutores montados a partir de nanotubos de carbono individuais. No entanto, existem desafios significativos a serem superados, como a saturação de corrente indesejada sob tensão e as impurezas e junções de nanotubo a nanotubo muito mais resistentes, que reduzem a condutividade elétrica dos fios de nanotubos macroscópicos em ordens de magnitude, em comparação à condutividade dos nanotubos individuais.

Devido à sua seção transversal em nanoescala, os elétrons se propagam apenas ao longo do eixo do tubo. Como resultado, os nanotubos de carbono são frequentemente referidos como condutores unidimensionais. A condutância elétrica máxima de um nanotubo de carbono de parede simples é 2G₀, onde G₀ = 2< i>e²/h é a condutância de um único canal quântico balístico.

Devido ao papel do sistema de elétrons π na determinação das propriedades eletrônicas do grafeno, a dopagem em nanotubos de carbono difere da dos semicondutores cristalinos em massa do mesmo grupo da tabela periódica (por exemplo, silício). A substituição grafítica de átomos de carbono na parede do nanotubo por dopantes de boro ou nitrogênio leva a comportamentos tipo p e tipo n, respectivamente, como seria de se esperar no silício. No entanto, alguns dopantes não substitucionais (intercalados ou adsorvidos) introduzidos em um nanotubo de carbono, como metais alcalinos e metalocenos ricos em elétrons, resultam em condução do tipo n porque doam elétrons para o sistema de elétrons π do nanotubo. Em contraste, aceitadores de elétrons π, como FeCl₃ ou metalocenos deficientes em elétrons, funcionam como dopantes do tipo p porque atraem elétrons π para longe do topo da banda de valência.

A supercondutividade intrínseca foi relatada, embora outros experimentos não tenham encontrado evidências disso, deixando a afirmação um assunto de debate.

Em 2021, Michael Strano, o professor Carbon P. Dubbs de Engenharia Química do MIT, publicou as descobertas do departamento sobre o uso de nanotubos de carbono para criar uma corrente elétrica. Ao imergir as estruturas em um solvente orgânico, o líquido extraiu elétrons das partículas de carbono. Strano foi citado como tendo dito: "Isso permite que você faça eletroquímica, mas sem fios" e representa um avanço significativo na tecnologia. Aplicações futuras incluem alimentar robôs em micro ou nanoescala, bem como conduzir reações de oxidação de álcool, que são importantes na indústria química.

Defeitos cristalográficos também afetam as propriedades elétricas do tubo. Um resultado comum é a condutividade reduzida através da região defeituosa do tubo. Um defeito em tubos metálicos do tipo poltrona (que podem conduzir eletricidade) pode fazer com que a região circundante se torne semicondutora, e lacunas monoatômicas únicas induzem propriedades magnéticas.

Óptico

Os nanotubos de carbono têm propriedades úteis de absorção, fotoluminescência (fluorescência) e espectroscopia Raman. Métodos espectroscópicos oferecem a possibilidade de caracterização rápida e não destrutiva de quantidades relativamente grandes de nanotubos de carbono. Há uma forte demanda por tal caracterização do ponto de vista industrial: inúmeros parâmetros de síntese de nanotubos podem ser alterados, intencionalmente ou não, para alterar a qualidade do nanotubo, como o teor de carbono não tubular, estrutura (quiralidade) do produto produzido nanotubos e defeitos estruturais. Esses recursos determinam quase todas as outras propriedades ópticas, mecânicas e elétricas significativas.

Nanotubos de carbono são "sistemas unidimensionais" que pode ser imaginado como folhas soltas laminadas de grafite (ou mais precisamente grafeno). Esse rolamento pode ser feito em diferentes ângulos e curvaturas, resultando em diferentes propriedades dos nanotubos. O diâmetro normalmente varia na faixa de 0,4 a 40 nm (ou seja, (comprimentos de onda de raios X), "apenas" ~100 vezes), mas o comprimento pode variar ~100.000.000.000 vezes, de 0,14 nm a 55,5 cm. A relação de aspecto do nanotubo, ou a relação comprimento-diâmetro, pode chegar a 132.000.000:1, que é inigualável por qualquer outro material. Consequentemente, todas as propriedades dos nanotubos de carbono em relação às dos semicondutores típicos são extremamente anisotrópicas (dependentes da direção) e ajustáveis.

Enquanto as propriedades mecânicas, elétricas e eletroquímicas (supercapacitores) dos nanotubos de carbono estão bem estabelecidas e têm aplicações imediatas, o uso prático das propriedades ópticas ainda não está claro. A capacidade de ajuste de propriedades acima mencionada é potencialmente útil em óptica e fotônica. Em particular, diodos emissores de luz (LEDs) e fotodetectores baseados em um único nanotubo foram produzidos em laboratório. Sua característica única não é a eficiência, que ainda é relativamente baixa, mas a estreita seletividade no comprimento de onda de emissão e detecção da luz e a possibilidade de seu ajuste fino através da estrutura do nanotubo. Além disso, bolômetros e dispositivos de memória optoeletrônica foram realizados em conjuntos de nanotubos de carbono de parede simples.

Térmica

Espera-se que todos os nanotubos sejam bons condutores térmicos ao longo do tubo, exibindo uma propriedade conhecida como "condução balística", mas bons isolantes laterais ao eixo do tubo. As medições mostram que um SWNT individual tem uma condutividade térmica à temperatura ambiente ao longo de seu eixo de cerca de 3500 W·m⁻¹·K⁻¹; compare isso com o cobre, um metal conhecido por sua boa condutividade térmica, que transmite 385 W·m⁻¹·K⁻¹. Um SWNT individual tem uma condutividade térmica à temperatura ambiente lateral ao seu eixo (na direção radial) de cerca de 1,52 W·m⁻¹·K⁻¹, que é cerca de tão termicamente condutivo quanto o solo. Montagens macroscópicas de nanotubos, como filmes ou fibras, atingiram até 1500 W·m⁻¹·K⁻¹ até agora. Redes compostas por nanotubos apresentam diferentes valores de condutividade térmica, desde o nível de isolamento térmico com a condutividade térmica de 0,1 W·m⁻¹·K⁻¹ até valores tão altos. Isso depende da quantidade de contribuição para a resistência térmica do sistema causada pela presença de impurezas, desalinhamentos e outros fatores. A estabilidade de temperatura dos nanotubos de carbono é estimada em até 2800 °C no vácuo e cerca de 750 °C no ar.

Defeitos cristalográficos afetam fortemente as propriedades térmicas do tubo. Tais defeitos levam ao espalhamento de fônons, que por sua vez aumenta a taxa de relaxamento dos fônons. Isso reduz o caminho livre médio e reduz a condutividade térmica das estruturas de nanotubos. Simulações de transporte de fônons indicam que defeitos substitucionais, como nitrogênio ou boro, levarão principalmente ao espalhamento de fônons ópticos de alta frequência. No entanto, defeitos de maior escala, como os defeitos de Stone-Wales, causam espalhamento de fônons em uma ampla faixa de frequências, levando a uma maior redução na condutividade térmica.

Síntese

Foram desenvolvidas técnicas para produzir nanotubos em quantidades consideráveis, incluindo descarga de arco, ablação a laser, deposição de vapor químico (CVD) e desproporcionamento de monóxido de carbono de alta pressão (HiPCO). Entre estes, descarga de arco, ablação a laser, deposição química de vapor (CVD) são processos lote a lote e HiPCO é processo contínuo em fase gasosa. A maioria desses processos ocorre no vácuo ou com gases de processo. O método de crescimento CVD é popular, pois produz grande quantidade e tem um grau de controle sobre diâmetro, comprimento e morfologia. Usando catalisadores particulados, grandes quantidades de nanotubos podem ser sintetizadas por esses métodos, mas alcançar a repetibilidade torna-se um grande problema com o crescimento de CVD. Os avanços do processo HiPCO na catálise e o crescimento contínuo estão tornando os CNTs mais viáveis comercialmente. O processo HiPCO ajuda na produção de nanotubos de carbono de parede simples de alta pureza em maior quantidade. O reator HiPCO opera em alta temperatura 900-1100 °C e alta pressão ~30-50 bar. Ele usa monóxido de carbono como fonte de carbono e pentacarbonila de ferro ou tetracarbonila de níquel como catalisador. Esses catalisadores fornecem um local de nucleação para o crescimento dos nanotubos.

Matrizes de nanotubos de carbono alinhadas verticalmente também são cultivadas por deposição de vapor químico térmico. Um substrato (quartzo, silício, aço inoxidável, etc.) é revestido com uma camada de metal catalítico (Fe, Co, Ni). Normalmente, essa camada é de ferro e é depositada por pulverização catódica com uma espessura de 1 a 5 nm. Uma subcamada de alumina de 10 a 50 nm geralmente também é colocada primeiro no substrato. Isso confere umectação controlável e boas propriedades interfaciais. Quando o substrato é aquecido até a temperatura de crescimento (~700 °C), o filme de ferro contínuo se divide em pequenas ilhas com cada ilha nucleando um nanotubo de carbono. A espessura pulverizada controla o tamanho da ilha e isso, por sua vez, determina o diâmetro do nanotubo. Camadas de ferro mais finas reduzem o diâmetro das ilhas e reduzem o diâmetro dos nanotubos crescidos. A quantidade de tempo que a ilha de metal pode permanecer na temperatura de crescimento é limitada, pois são móveis e podem se fundir em ilhas maiores (mas menos). O recozimento na temperatura de crescimento reduz a densidade do local (número de CNT/mm²) enquanto aumenta o diâmetro do catalisador.

Os nanotubos de carbono preparados sempre possuem impurezas, como outras formas de carbono (carbono amorfo, fulereno, etc.) e impurezas não carbonáceas (metal usado como catalisador). Essas impurezas precisam ser removidas para fazer uso dos nanotubos de carbono em aplicações.

Funcionalização

CNTs são conhecidos por terem fraca dispersibilidade em muitos solventes, como a água, como consequência de fortes interações p-p intermoleculares. Isso dificulta a processabilidade dos NTCs em aplicações industriais. Para resolver o problema, várias técnicas foram desenvolvidas para modificar a superfície dos NTCs, a fim de melhorar sua estabilidade e solubilidade em água. Isso aprimora o processamento e a manipulação de CNTs insolúveis, tornando-os úteis para sintetizar nanofluidos inovadores de CNT com propriedades impressionantes que podem ser ajustadas para uma ampla gama de aplicações. Rotas químicas, como a funcionalização covalente, foram estudadas extensivamente, o que envolve a oxidação de CNTs por meio de ácidos fortes (por exemplo, ácido sulfúrico, ácido nítrico ou uma mistura de ambos) para definir os grupos carboxílicos na superfície dos CNTs como o final produto ou para posterior modificação por esterificação ou aminação. O enxerto de radicais livres é uma técnica promissora dentre os métodos de funcionalização covalente, nos quais peróxidos de alquila ou arila, anilinas substituídas e sais de diazônio são usados como agentes de partida.

O enxerto de radicais livres de macromoléculas (como o grupo funcional) na superfície dos CNTs pode melhorar a solubilidade dos CNTs em comparação com tratamentos ácidos comuns que envolvem a ligação de pequenas moléculas, como hidroxila, na superfície dos CNTs. A solubilidade dos NTCs pode ser melhorada significativamente pelo enxerto de radicais livres porque as grandes moléculas funcionais facilitam a dispersão dos NTCs em uma variedade de solventes, mesmo em um baixo grau de funcionalização. Recentemente, uma abordagem inovadora e ambientalmente amigável foi desenvolvida para a funcionalização covalente de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) usando botões de cravo. Essa abordagem é inovadora e verde porque não usa ácidos tóxicos e perigosos que são normalmente usados em procedimentos comuns de funcionalização de nanomateriais de carbono. Os MWCNTs são funcionalizados em um pote usando uma reação de enxerto de radical livre. Os MWCNTs funcionalizados com cravo são então dispersos em água produzindo uma suspensão aquosa altamente estável de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (nanofluidos).

Modelagem

Microestruturas simuladas por computador com regiões de aglomeração

Os nanotubos de carbono são modelados de maneira semelhante aos compósitos tradicionais, nos quais uma fase de reforço é cercada por uma fase de matriz. Modelos ideais como modelos cilíndricos, hexagonais e quadrados são comuns. O tamanho do modelo micromecânico é altamente função das propriedades mecânicas estudadas. O conceito de elemento de volume representativo (RVE) é usado para determinar o tamanho e a configuração apropriados do modelo de computador para replicar o comportamento real do nanocompósito reforçado com CNT. Dependendo da propriedade do material de interesse (térmica, elétrica, módulo, fluência), um RVE pode prever a propriedade melhor do que as alternativas. Embora a implementação do modelo ideal seja computacionalmente eficiente, eles não representam características microestruturais observadas em microscopia eletrônica de varredura de nanocompósitos reais. Para incorporar modelagem realista, modelos de computador também são gerados para incorporar variabilidade, como ondulação, orientação e aglomeração de nanotubos de carbono de parede única ou multiparede.

Metrologia

Existem muitos padrões de metrologia e materiais de referência disponíveis para nanotubos de carbono.

Para nanotubos de carbono de parede única, a ISO/TS 10868 descreve um método de medição para o diâmetro, pureza e fração de nanotubos metálicos por meio de espectroscopia de absorção óptica, enquanto a ISO/TS 10797 e a ISO/TS 10798 estabelecem métodos para caracterizar a morfologia e composição elementar de nanotubos de carbono de parede simples, usando microscopia eletrônica de transmissão e microscopia eletrônica de varredura, respectivamente, juntamente com análise de espectrometria de raios-X de dispersão de energia.

NIST SRM 2483 é uma fuligem de nanotubos de carbono de parede única usada como material de referência para análise elementar e foi caracterizada usando análise termogravimétrica, análise de ativação gama imediata, análise de ativação de nêutrons induzida, espectroscopia de massa de plasma acoplado indutivamente, espalhamento Raman ressonante, Espectroscopia de fluorescência de infravermelho próximo UV-visível e espectroscopia de absorção, microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão. O Canadian National Research Council também oferece um material de referência certificado SWCNT-1 para análise elementar usando análise de ativação de nêutrons e espectroscopia de massa de plasma acoplado indutivamente. NIST RM 8281 é uma mistura de três comprimentos de nanotubo de carbono de parede única.

Para nanotubos de carbono de paredes múltiplas, a ISO/TR 10929 identifica as propriedades básicas e o conteúdo de impurezas, enquanto a ISO/TS 11888 descreve a morfologia usando microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, viscometria e análise de dispersão de luz. ISO/TS 10798 também é válido para nanotubos de carbono multiparede.

Modificação química

Os nanotubos de carbono podem ser funcionalizados para atingir as propriedades desejadas que podem ser usadas em uma ampla variedade de aplicações. Os dois principais métodos de funcionalização de nanotubos de carbono são modificações covalentes e não covalentes. Devido à sua aparente natureza hidrofóbica, os nanotubos de carbono tendem a se aglomerar, dificultando sua dispersão em solventes ou polímeros viscosos fundidos. Os feixes ou agregados de nanotubos resultantes reduzem o desempenho mecânico do compósito final. A superfície dos nanotubos de carbono pode ser modificada para reduzir a hidrofobicidade e melhorar a adesão interfacial a um polímero a granel por meio de ligação química.

A superfície dos nanotubos de carbono pode ser quimicamente modificada pelo revestimento de nanopartículas de espinélio por síntese hidrotérmica e pode ser usada para fins de oxidação da água.

Além disso, a superfície dos nanotubos de carbono pode ser fluorada ou halofluorada por aquecimento enquanto em contato com uma substância fluoroorgânica, formando assim carbonos parcialmente fluorados (os chamados materiais Fluocar) com funcionalidade (halo) fluoroalquil enxertada.

Aplicativos

Um obstáculo primário para aplicações de nanotubos de carbono tem sido seu custo. Os preços dos nanotubos de parede simples caíram de cerca de US$ 1.500 por grama em 2000 para preços de varejo de cerca de US$ 50 por grama de SWNTs de 40 a 60% do peso produzidos em março de 2010. Em 2016, o preço de varejo dos nanotubos produzidos 75% em peso de SWNTs foi de $ 2 por grama.

Atual

Fita de Nano

O uso e a aplicação atuais de nanotubos têm sido limitados principalmente ao uso de nanotubos em massa, que é uma massa de fragmentos bastante desorganizados de nanotubos. Os materiais de nanotubos a granel podem nunca atingir uma resistência à tração semelhante à dos tubos individuais, mas tais compósitos podem, no entanto, produzir resistências suficientes para muitas aplicações. Nanotubos de carbono a granel já foram usados como fibras compostas em polímeros para melhorar as propriedades mecânicas, térmicas e elétricas do produto a granel.

• A Easton-Bell Sports, Inc. tem estado em parceria com a Zyvex Performance Materials, usando a tecnologia CNT em vários componentes de bicicleta – incluindo guidão plana e riser, manivelas, garfos, postos de assento, caules e barras aeroportuárias.
• Amroy Europa A Oy fabrica resinas de nanoepoxi de carbono Hybtonite onde os nanotubos de carbono foram quimicamente ativados para a ligação à epóxi, resultando em um material composto que é 20% a 30% mais forte do que outros materiais compostos. Tem sido usado para turbinas eólicas, tintas marinhas e uma variedade de equipamentos esportivos, como esquis, varas de hóquei no gelo, tacos de beisebol, setas de caça e pranchas de surf.
• Surrey NanoSystems sintetiza nanotubos de carbono para criar vantablack.
• "Gecko tape" (também chamado de "nano tape") é frequentemente comercialmente vendido como fita adesiva dupla face. Pode ser usado para pendurar itens leves, como imagens e itens decorativos em paredes lisas sem perfurar buracos na parede. As matrizes de nanotube de carbono que compõem a setae sintética não deixam resíduos após a remoção e podem ficar pegajosas em temperaturas extremas.
• Na engenharia de tecidos, os nanotubos de carbono têm sido usados como andaimes para o crescimento ósseo.
• Dicas para sondas de microscópio de força atômica.

Em desenvolvimento

As pesquisas atuais para aplicações modernas incluem:

• Utilizando nanotubos de carbono como o material de canal de transistores de efeito de campo nanotube de carbono.
• Usando nanotubes de carbono como um andaime para diversas técnicas de microfabricação.
• Dissipação de energia em nanoestruturas auto-organizadas sob influência de um campo elétrico.
• Usando nanotubos de carbono para monitoramento ambiental devido à sua área de superfície ativa e sua capacidade de absorver gases.
• Jack Andraka usou nanotubos de carbono em seu teste de câncer pancreático. Seu método de teste ganhou o Intel International Science and Engineering Fair Gordon E. Moore Award na primavera de 2012.
• A Boeing Company patenteou o uso de nanotubos de carbono para monitoramento estrutural de saúde de compósitos usados em estruturas de aeronaves. Esta tecnologia reduzirá consideravelmente o risco de uma falha na luz causada pela degradação estrutural das aeronaves.
• A Zyvex Technologies também construiu um navio marítimo de 54, o Piranha Unmanned Surface Vessel, como um demonstrador de tecnologia para o que é possível usando a tecnologia CNT. CNTs ajudam a melhorar o desempenho estrutural da embarcação, resultando em um barco leve de 8.000 lb que pode carregar uma carga útil de 15.000 lb sobre uma gama de 2.500 milhas.
• IMEC está usando nanotubos de carbono para pellicles em litografia semicondutora.

Os nanotubos de carbono podem servir como aditivos para vários materiais estruturais. Por exemplo, os nanotubos formam uma pequena porção do(s) material(is) em alguns bastões de beisebol (principalmente de fibra de carbono), tacos de golfe, peças de carros ou aço damasco.

A IBM espera que os transistores de nanotubos de carbono sejam usados em circuitos integrados até 2020.

Potencial

A força e a flexibilidade dos nanotubos de carbono os torna de uso potencial no controle de outras estruturas em nanoescala, o que sugere que eles terão um papel importante na engenharia de nanotecnologia. A maior resistência à tração de um nanotubo de carbono de paredes múltiplas individual foi testada para ser 63 GPa. Nanotubos de carbono foram encontrados em aço Damasco do século 17, possivelmente ajudando a explicar a lendária força das espadas feitas dele. Recentemente, vários estudos destacaram a perspectiva de usar nanotubos de carbono como blocos de construção para fabricar dispositivos tridimensionais macroscópicos (>1 mm em todas as três dimensões) totalmente de carbono. Lalwani et al. relataram um novo método de reticulação térmica iniciado por radicais para estruturas de carbono macroscópicas, autônomas e porosas fabricadas usando nanotubos de carbono de paredes simples e múltiplas como blocos de construção. Esses andaimes possuem poros macro, micro e nanoestruturados e a porosidade pode ser adaptada para aplicações específicas. Esses andaimes/arquiteturas 3D totalmente em carbono podem ser usados para a fabricação da próxima geração de armazenamento de energia, supercapacitores, transistores de emissão de campo, catálise de alto desempenho, energia fotovoltaica e dispositivos e implantes biomédicos.

Os CNTs são candidatos potenciais para futuros materiais de via e fio em circuitos VLSI em nanoescala. Eliminando as preocupações de confiabilidade da eletromigração que afligem as interconexões de Cu de hoje, os CNTs isolados (de parede única e múltipla) podem transportar densidades de corrente superiores a 1000 MA/cm² sem danos de eletromigração.

Nanotubos de parede simples são candidatos prováveis para a miniaturização da eletrônica. O bloco de construção mais básico desses sistemas é um fio elétrico, e os SWNTs com diâmetros da ordem de um nanômetro podem ser excelentes condutores. Uma aplicação útil dos SWNTs é no desenvolvimento dos primeiros transistores de efeito de campo (FET) intermoleculares. A primeira porta lógica intermolecular usando SWCNT FETs foi feita em 2001. Uma porta lógica requer um p-FET e um n-FET. Como os SWNTs são p-FETs quando expostos ao oxigênio e n-FETs caso contrário, é possível expor metade de um SWNT ao oxigênio e proteger a outra metade dele. O SWNT resultante atua como uma porta não lógica com FETs do tipo p e n na mesma molécula.

Grandes quantidades de CNTs puros podem ser transformadas em uma folha ou filme independente pela técnica de fabricação de fundição de fita de engenharia de superfície (SETC), que é um método escalável para fabricar folhas flexíveis e dobráveis com propriedades superiores. Outro fator de forma relatado é a fibra CNT (também conhecida como filamento) por fiação úmida. A fibra é fiada diretamente do pote de síntese ou fiada a partir de CNTs dissolvidos pré-fabricados. Fibras individuais podem ser transformadas em um fio. Além de sua resistência e flexibilidade, a principal vantagem é fazer um fio eletricamente condutor. As propriedades eletrônicas das fibras CNT individuais (ou seja, feixe de CNT individuais) são regidas pela estrutura bidimensional dos CNTs. As fibras foram medidas para ter uma resistividade apenas uma ordem de grandeza maior do que os condutores metálicos a 300K. Ao otimizar ainda mais os CNTs e fibras CNT, fibras CNT com propriedades elétricas melhoradas podem ser desenvolvidas.

Os fios à base de CNT são adequados para aplicações em tratamento de água eletroquímico e energético quando revestidos com uma membrana de troca iônica. Além disso, os fios à base de CNT podem substituir o cobre como material de enrolamento. Pyrhönen et al. (2015) construíram um motor usando enrolamento CNT.

Segurança e saúde

O National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) é a principal agência federal dos Estados Unidos que realiza pesquisas e fornece orientação sobre as implicações e aplicações de nanomateriais em segurança e saúde ocupacional. Os primeiros estudos científicos indicaram que as partículas em nanoescala podem representar um risco maior à saúde do que os materiais a granel devido a um aumento relativo na área de superfície por unidade de massa. O aumento no comprimento e diâmetro do CNT está correlacionado ao aumento da toxicidade e alterações patológicas no pulmão. As interações biológicas dos nanotubos não são bem compreendidas e o campo está aberto para estudos toxicológicos contínuos. Muitas vezes é difícil separar os fatores de confusão e, como o carbono é relativamente biologicamente inerte, parte da toxicidade atribuída aos nanotubos de carbono pode ser devida à contaminação residual do catalisador metálico. Em estudos anteriores, apenas o Mitsui-7 foi demonstrado de forma confiável como cancerígeno, embora por razões obscuras/desconhecidas. Ao contrário de muitas fibras minerais comuns (como o amianto), a maioria dos SWCNTs e MWCNTs não se encaixam nos critérios de tamanho e proporção para serem classificados como fibras respiráveis. Em 2013, dado que os efeitos a longo prazo na saúde ainda não foram medidos, o NIOSH publicou um Boletim de Inteligência Atual detalhando os perigos potenciais e o limite de exposição recomendado para nanotubos e fibras de carbono. O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional dos EUA determinou limites de exposição recomendados não regulamentares (RELs) de 1 μg/m³ para nanotubos de carbono e nanofibras de carbono como carbono elementar corrigido de fundo como um período de 8 horas concentração de massa respirável média ponderada no tempo (TWA). Deve-se notar que, embora o CNT tenha causado inflamação pulmonar e toxicidade em camundongos, a exposição a aerossóis gerados pelo lixamento de compósitos contendo MWCNTs revestidos com polímero, representativos do produto final real, não exerceu tal toxicidade.

A partir de outubro de 2016, os nanotubos de carbono de parede única foram registrados por meio dos regulamentos de Registro, Avaliação, Autorização e Restrição de Produtos Químicos (REACH) da União Europeia, com base na avaliação das propriedades potencialmente perigosas do SWCNT. Com base neste registro, a comercialização de SWCNT é permitida na UE até 10 toneladas métricas. Atualmente, o tipo de SWCNT registrado através do REACH é limitado ao tipo específico de nanotubos de carbono de parede única fabricados pela OCSiAl, que apresentou o pedido.

História

A verdadeira identidade dos descobridores dos nanotubos de carbono é objeto de alguma controvérsia. Um editorial de 2006 escrito por Marc Monthioux e Vladimir Kuznetsov na revista Carbon descreveu a origem do nanotubo de carbono. Uma grande porcentagem da literatura acadêmica e popular atribui a descoberta de tubos ocos de tamanho nanométrico compostos de carbono grafítico a Sumio Iijima da NEC em 1991. nanotubos de carbono. Embora Iijima tenha recebido muito do crédito pela descoberta dos nanotubos de carbono, verifica-se que a linha do tempo dos nanotubos de carbono remonta a muito mais do que 1991.

Em 1952, L. V. Radushkevich e V. M. Lukyanovich publicaram imagens claras de tubos de 50 nanômetros de diâmetro feitos de carbono no Journal of Physical Chemistry Of Russia. Essa descoberta passou despercebida, já que o artigo foi publicado em russo e os cientistas ocidentais não concordaram. o acesso à imprensa soviética foi limitado durante a Guerra Fria. Monthioux e Kuznetsov mencionaram em seu editorial Carbon:

O fato é, Radushkevich e Lukyanovich [...] deve ser creditado para a descoberta de que os filamentos de carbono poderiam ser ocos e ter um diâmetro de tamanho nanometre, que é dizer para a descoberta de nanotubos de carbono.

Em 1976, Morinobu Endo do CNRS observou tubos ocos de folhas de grafite enroladas sintetizadas por uma técnica química de crescimento de vapor. Os primeiros espécimes observados viriam a ser conhecidos como nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs). Endo, em sua revisão inicial de fibras de carbono cultivadas em fase de vapor (VPCF), também nos lembrou que havia observado um tubo oco, estendido linearmente com faces paralelas da camada de carbono perto do núcleo da fibra. Esta parece ser a observação de nanotubos de carbono de paredes múltiplas no centro da fibra. Os MWCNTs produzidos em massa hoje estão fortemente relacionados ao VPGCF desenvolvido pela Endo. Na verdade, eles o chamam de "Endo-process", em respeito a seus primeiros trabalhos e patentes. Em 1979, John Abrahamson apresentou evidências de nanotubos de carbono na 14ª Conferência Bienal de Carbono na Universidade Estadual da Pensilvânia. O documento da conferência descreveu os nanotubos de carbono como fibras de carbono produzidas em ânodos de carbono durante a descarga do arco. Uma caracterização dessas fibras foi dada, bem como hipóteses para o seu crescimento em atmosfera de nitrogênio a baixas pressões.

Em 1981, um grupo de cientistas soviéticos publicou os resultados da caracterização química e estrutural de nanopartículas de carbono produzidas por um desproporcionamento termocatalítico de monóxido de carbono. Usando imagens TEM e padrões XRD, os autores sugeriram que seus "cristais tubulares multicamadas de carbono" foram formados rolando camadas de grafeno em cilindros. Eles especularam que, por meio dessa rolagem, muitos arranjos diferentes de redes hexagonais de grafeno são possíveis. Eles sugeriram dois arranjos possíveis: arranjo circular (nanotubo de poltrona); e um arranjo espiral helicoidal (tubo quiral).

Em 1987, Howard G. Tennent da Hyperion Catalysis recebeu uma patente nos EUA para a produção de "fibrilas de carbono discretas cilíndricas" com um "diâmetro constante entre cerca de 3,5 e cerca de 70 nanômetros..., comprimento 10² vezes o diâmetro e uma região externa de múltiplas camadas essencialmente contínuas de átomos de carbono ordenados e um interior distinto núcleo...."

Ajudar a criar a empolgação inicial associada aos nanotubos de carbono foi a descoberta de Iijima em 1991 de nanotubos de carbono de paredes múltiplas no material insolúvel de hastes de grafite queimadas a arco; e a previsão independente de Mintmire, Dunlap e White de que, se nanotubos de carbono de parede única pudessem ser feitos, eles exibiriam notáveis propriedades condutoras. A pesquisa de nanotubos acelerou muito após as descobertas independentes de Iijima e Ichihashi na NEC e Bethune et al. na IBM de métodos para produzir especificamente nanotubos de carbono de parede única adicionando metal de transição catalisadores ao carbono em uma descarga de arco. Thess et al. refinou esse método catalítico vaporizando a combinação de carbono/metal de transição em um forno de alta temperatura, o que melhorou muito o rendimento e a pureza dos SWNTs e os tornou amplamente disponíveis para experimentos de caracterização e aplicação. A técnica de descarga de arco, bem conhecida por produzir o famoso Buckminsterfullerene em uma escala preparativa, desempenhou um papel importante nas descobertas de nanotubos de parede única e múltipla, estendendo a série de descobertas fortuitas relacionadas aos fulerenos. A descoberta de nanotubos continua sendo uma questão controversa. Muitos acreditam que o relatório de Iijima em 1991 é de particular importância porque trouxe os nanotubos de carbono ao conhecimento da comunidade científica como um todo.

Em 2020, durante a escavação arqueológica de Keezhadi em Tamil Nadu, na Índia, foi descoberta uma cerâmica de aproximadamente 2.500 anos cujos revestimentos parecem conter nanotubos de carbono. As propriedades mecânicas robustas dos nanotubos são parcialmente o motivo pelo qual os revestimentos duram tantos anos, dizem os cientistas.