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Nanotubos de carbono: o que são?

Os nanotubos de carbono são outra forma alotrópica do carbono, possuem muitas propriedades interessantes e prometem muitas aplicações.

O que são os nanotubos de carbono?

São moléculas cilíndricas feitas de átomos de carbono com diâmetro de escala nanométrica e comprimento em escala micrométrica ou milimétrica. Consistem em uma folha de grafeno enrolada, ligando as extremidades opostas.

nanotubo de carbono a partir do grafeno
Fonte: nanowerk.
nanotubos de carbono concêntricos
Existem nanotubos de carbono com várias paredes, consistindo em vários cilíndros concêntricos. Fonte: Electrónica.
nanotubos de carbono
Alguns nanotubos podem ter um fundo esférico. Fonte: physicsworld.

Propriedades

As propriedades de um nanotubo de carbono dependem se este possui uma ou multíplas paredes e da forma como é enrolado.

Enrolando o grafeno

Uma folha de grafeno pode ser enrolada em 3 configurações: braço de cadeira (armchair), zigzag e quiral (3). As configurações se diferenciam entre si pelas bordas. Fonte: (Monea et al., 2019).

Os dois números entre parênteses (n,m) formam o vetor quiral (\vec{C}_{h}).

\vec{C}_{h}=n\vec{a}_{1}+m\vec{a}_{2}=(n,m)

Onde \vec{a}_{1} e \vec{a}_{2} são vetores unitários, cujos módulos são iguais a 1.

vetores dos nanotubos de carbono
O vetor T é perpendicular ao vetor quiral e paralelo ao eixo do nanotubo. Fonte: (Zhou et al., 2019).

Obtendo a fórmula do ângulo quiral \phi.

\vec{C}_{h}\cdot \vec{a}_{1}=\left| \vec{C}_{h}\right|\cdot \left| \vec{a}_{1}\right|\cdot cos\phi

\phi=cos^{-1}\left ( \frac{2n+m}{2\sqrt{\left ( m^{2}+n^{2}+mn\right )}} \right )

O diâmetro (d) do tubo.

d=\frac{a\sqrt{3(n^{2}+mn+m^{2})}}{\pi }

Onde a é o comprimento da ligação covalente entre dois átomos de carbono, que é 1,42 Å (angstrom).

1 Å = 1\times 10^{-10}m

Os números inteiros m e n determinam se um nanotubo é condutor ou semicondutor.

Outras propriedades dos nanotubos de carbono (NTC)

  • Todos os nanotubos apresentam grande resistência à tração, são 100 vezes mais resistentes que o aço com apenas 1/6 da densidade. 
  • São excelentes condutores de calor. A condutividade térmica pode chegar até a 6000 W/m\cdot K (watt por metro vezes Kelvin).
  • Como são feitos de grafeno, o módulo de Young (mede resistência à deformação elástica) é próximo de 1000 GPa, lê-se gigapascals.
  • Os nanotubos de carbono matam as células dos seres vivos ao entrarem em contato com estas.

Alguns exemplos de aplicações

  • Materiais compostos com nanotubos de múltiplas paredes podem ter maior resistência ao desgaste e à ruptura, com menor peso.
  • Os NTC condutores possuem condutividade melhor que a do cobre. Poderão um dia serem usados na transmissão de energia elétrica.
  • É possivel colocar nanotubos semicondutores em transistores de efeito de campo, para fazer a ligação entre os terminais dreno (drain) e fonte (source). Criando circuitos menores e de alto desempenho.
transistor com um nanotubo de carbono
Transistor com um nanotubo de carbono (SWCNT). Fonte: (Kreupl, 2012).
Existem projetos de transistores de filme fino com uma rede de nanotubos de carbono (Carbon nanotube), em vez de apenas um. Este circuito é uma porta digital NOT ou inversor. Fonte: gelonghui.
  • Podem ser usados em sensores eletroquímicos ou biológicos.
sensor de hidrogênio com nanotubos de carbono
Um sensor de hidrogênio flexível com nanotubos de carbono de camada única. Fonte: nanowerk.

Os nanotubos de carbono ainda são muito caros para serem fabricados em massa.

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