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O que são nanotubos de carbono e para que são usados?

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Nanotubos de carbono são coisas incríveis. Eles podem ser mais fortes que o aço e mais finos que um fio de cabelo humano.

Eles também são altamente estáveis, leves e têm incríveis propriedades elétricas, térmicas e mecânicas. Por esta razão, eles possuem o potencial para o desenvolvimento de muitos materiais futuros interessantes.

Eles também podem ser a chave para construir os materiais e estruturas do futuro, como elevadores espaciais.

Aqui, exploramos o que são, como são feitos e quais aplicações tendem a ter. Este não pretende ser um guia completo e destina-se apenas a ser usado como uma visão geral rápida.

RELACIONADOS: ESTES NANOTUBOS DE CARBONO PODEM ENERGIZAR DISPOSITIVOS ATRAVÉS DA ROUPA

O que são nanotubos de carbono e suas propriedades?

Nanotubos de carbono (CNTs para abreviar), como o nome sugere, são minúsculas estruturas cilíndricas feitas de carbono. Mas não qualquer carbono, os CNTs consistem em folhas enroladas de uma única camada de moléculas de carbono chamadas grafeno.

Eles tendem a vir em duas formas principais (crédito para nanowerk.com):

1. Nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) - Eles tendem a ter um diâmetro menor que 1 nm.

2. Nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) - Estes consistem em vários nanotubos interligados concentricamente e tendem a ter diâmetros que podem atingir mais de 100 nm.

Em ambos os casos, os CNTs podem ter comprimentos variáveis ​​de vários micrômetros a centímetros.

Como os tubos são construídos exclusivamente com grafeno, eles compartilham muitas de suas propriedades interessantes. Os CNTs, por exemplo, são ligados a ligações sp2 - extremamente fortes no nível molecular.

Os nanotubos de carbono também têm a tendência de se agrupar por meio das forças de van der Waals. Isso lhes dá alta resistência e baixo peso. Eles também tendem a ser materiais altamente condutores de eletricidade e termicamente.

"As paredes individuais do CNT podem ser metálicas ou semicondutoras, dependendo da orientação da rede em relação ao eixo do tubo, o que é chamado de quiralidade."

Os nanotubos de carbono também têm outras propriedades térmicas e mecânicas surpreendentes que os tornam atraentes para o desenvolvimento de novos materiais.

Por exemplo (crédito para nanowerk.com):

  • Os CNTs podem ter resistência mecânica à tração 400 vezes o do aço normal.

  • Eles são muito leves, pois sua densidade é um sexto da do aço.

  • A condutividade térmica dos CNTs é melhor do que a de um diamante.

  • Os nanotubos de carbono têm uma relação de aspecto muito alta maior que 1000. Ou seja, em relação ao comprimento, são extremamente finos.

  • "Sua área da superfície da ponta está perto do limite teórico (quanto menor a área da superfície da ponta, mais concentrado o campo elétrico e maior o fator de intensificação do campo).

  • Como o grafite, eles são altamente estáveis ​​quimicamente e resistem virtualmente a qualquer impacto químico, a menos que sejam simultaneamente expostos a altas temperaturas e oxigênio - uma propriedade que os torna extremamente resistentes à corrosão.

  • Seu interior oco pode ser preenchido com vários nanomateriais, separando-os e protegendo-os do ambiente circundante - uma propriedade que é extremamente útil para aplicações de nanomedicina, como administração de drogas. "

O que os nanotubos de carbono fazem?

Como já vimos, os nanotubos de carbono têm algumas propriedades muito incomuns. Por causa disso, os CNTs têm muitas aplicações interessantes e variadas.

Na verdade, a partir de 2013, de acordo com a Wikipedia via Science Direct, a produção de nanotubos de carbono ultrapassou vários milhares de toneladas por ano. Esses nanotubos têm muitas aplicações, incluindo o uso em:

  • Soluções de armazenamento de energia
  • Modelagem de dispositivo
  • Estruturas compostas
  • Peças automotivas, incluindo potencialmente em carros de célula de combustível de hidrogênio
  • Cascos de barco
  • Artigos esportivos
  • Filtros de água
  • Eletrônica de filme fino
  • Revestimentos
  • Atuadores
  • Blindagem eletromagnética
  • Têxteis
  • Aplicações biomédicas, incluindo engenharia de tecidos de ossos e músculos, aplicação de produtos químicos, biossensores e muito mais

Existem também muitas áreas promissoras nas quais os nanotubos de carbono poderiam ajudar em outros campos interessantes.

O que são nanotubos de carbono de paredes múltiplas?

Como já vimos, os nanotubos de carbono com paredes múltiplas são aqueles nanotubos feitos de vários nanotubos interligados concentricamente. Eles tendem a ter diâmetros que podem atingir mais de 100 nm.

Eles podem atingir mais de centímetros de comprimento e tendem a ter proporções que variam entre 10 e 10 milhões.

"Eles podem ser distinguidos dos nanotubos de carbono de parede única com base em sua estrutura e rigidez de boneca russa de paredes múltiplas, e formam nanofibras de carbono com base em sua estrutura de parede diferente, diâmetro externo menor e um interior oco", observa Ákos Kukovecz et al.

Nanotubos de paredes múltiplas podem conter entre 6 e 25 ou paredes mais concêntricas.

MWCNTs têm algumas propriedades excelentes que podem ser exploradas em um grande número de aplicações comerciais. Estes incluem (crédito para azonona.com):

  • Elétrico: Os MWNTs são altamente condutores quando devidamente integrados em uma estrutura composta. Deve-se notar que a parede externa sozinha é condutora, as paredes internas não são instrumentais para a condutividade.

  • Morfologia: Os MWNTs têm uma proporção alta, com comprimentos normalmente maiores que 100 vezes o diâmetro e, em certos casos, muito maior. Seu desempenho e aplicação baseiam-se não apenas na relação de aspecto, mas também no grau de emaranhamento e na retidão dos tubos, que por sua vez é uma função do grau e da dimensão dos defeitos nos tubos.

  • Fisica: Sem defeitos, individuais, os MWNTs têm excelente resistência à tração e, quando integrados a um composto, como um termoplástico ou compostos termofixos, podem aumentar significativamente sua resistência.

  • Térmico: MWNTs têm estabilidade térmica mais do que 600 ° C, com base no nível de defeitos e em certa medida na pureza, como um catalisador residual no produto também pode catalisar a decomposição.

  • Químico: MWNTs são um alótropo de sp2 carbono hibridizado, semelhante ao grafite e aos fulerenos e, como tal, possui alta estabilidade química. No entanto, é possível funcionalizar os nanotubos para aumentar a resistência e a dispersibilidade dos compósitos.

Como os nanotubos de carbono são formados?

Até o momento, existem três métodos principais para a produção de nanotubos de carbono.

Esses são:

1. Descarga de arco

Nesse processo, o grafite é queimado eletronicamente. Os CNTs se formam na fase gasosa, que é posteriormente separada.

Este processo também tende a usar um metal como o ferro, cobalto ou níquel como catalisador.

2. Ablação a laser de grafite

Muito parecido com a descarga de arco acima, o grafite é queimado, exceto desta vez com o uso de um laser. A forma do CNT é semelhante e também é posteriormente separada.

Esta técnica também usa catalisadores metálicos para facilitar o processo.

3. Tocha de plasma

Semelhante aos dois primeiros métodos acima, o processo para fazer uma tocha de plasma usa gás contendo carbono em vez de vapores de grafite para criar os nanotubos de carbono.

4. Deposição de vapor químico (CVD)

O CVD é o processo mais promissor para a produção de CNTs. Permite um processo de produção quantitativo muito maior e é muito mais controlável.

Também é mais barato.

Durante o CVD, um substrato é preparado com uma camada de partículas de catalisador de metal, mais comumente níquel, cobalto, ferro ou uma combinação.

"Nanotubos crescem nos locais do catalisador de metal; o gás contendo carbono é quebrado na superfície da partícula do catalisador, e o carbono é transportado para as bordas da partícula, onde forma os nanotubos", observa um volume editado on Chemical Functionalization of Carbon Nanomaterials.

Este processo pode ser puramente catalítico ou suportado por plasma.

5. Eletrólise líquida

Esta técnica foi descoberta em 2015 pela George Washington University para produzir MWCNTs por meio da eletrólise de carbonatos fundidos. O processo básico é semelhante ao do CVD.


Assista o vídeo: Nanomateriais nanotubos de carbono e grafeno (Pode 2022).


Comentários:

  1. Hernando

    Claro, peço desculpas, mas esta resposta não me convém. Talvez haja mais opções?

  2. Breanainn

    Sinto muito, mas na minha opinião você está errado. Tenho certeza. Proponho discuti-lo. Escreva-me em PM, fale.

  3. Fyfe

    Na minha opinião, você está errado. Tenho certeza. Vamos discutir.

  4. Berton

    Eu parabenizo, você foi visitado simplesmente pela ideia brilhante



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