Nanotubo de carbono, também chamado buckytube, tubos ocos de nanoescala compostos de átomos de carbono. As moléculas cilíndricas de carbono apresentam relações de aspecto elevadas (valores comprimento/diâmetro) tipicamente acima de 103, com diâmetros desde cerca de 1 nanómetro até dezenas de nanómetros e comprimentos até milímetros. Esta estrutura unidimensional única e propriedades concomitantes dotam os nanotubos de carbono de naturezas especiais, tornando-os com potencial ilimitado em aplicações associadas à nanotecnologia. Os nanotubos de carbono são membros da família dos nanotubos de carbono de natureza integral. Embora as primeiras moléculas de fullerene tenham sido descobertas em 1985, só em 1991 Sumio Iijima relatou as suas descobertas sobre tubos de carbono semelhantes a agulhas na Natureza é que os nanotubos de carbono chegaram ao conhecimento público.
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Desde então, foram descobertos nanotubos de carbono com várias estruturas. De acordo com o número de conchas gráficas, são principalmente categorizados como nanotubos de carbono de parede única (SWNTs) e de parede múltipla (MWNTs). Os nanotubos de carbono relatados pela Iijima foram MWNTs sintetizados por métodos de descarga em arco. Dois anos mais tarde, dois conjuntos de investigadores trabalhando independentemente – Iijima e Toshinari Ichihashi, juntamente com Donald S. Bethune e os seus colegas da IBM-synthesized SWNTs, utilizando descarga de arco de transição-metal catalisado.
A SWNT pode ser descrita como um tubo longo formado por envolver uma única folha de grafeno num cilindro com diâmetro de cerca de 1 nanómetro, cujas extremidades são seladas por gaiolas de grafeno. As estruturas de fullerene, com estruturas alternadas de cinco hexágonos adjacentes a um pentágono, formam a superfície com a curvatura desejada para fechar o volume. As paredes laterais dos nanotubos de carbono são feitas de folhas de grafeno constituídas por células hexagonais vizinhas. Outras estruturas poligonais, tais como pentagões e heptagões, constituem defeitos das paredes laterais. As paredes laterais cilíndricas podem ser produzidas a partir de diferentes direcções de laminagem para fazer SWNTs com estruturas e propriedades distintas. Devido à simetria cilíndrica, existem apenas alguns métodos que são eficazes na fabricação de cilindros sem costura, e caracterizam-se pelos vectores quirais com índices inteiros (n, m). Para estabelecer o vector quiral, são seleccionados dois átomos na folha de grafeno, sendo que um serve como origem do vector apontando para o outro átomo. A folha de grafeno é então enrolada de forma a permitir que os dois átomos coincidam. Nestas circunstâncias, os vectores quirais formam um plano perpendicular à direcção de longitude dos nanotubos e os comprimentos dos vectores quirais são iguais à circunferência. Três tipos diferentes de SWNT são claramente caracterizados, denominados “ziguezague” (m = 0), “poltrona” (n = m), e “quirais”. Estas variações estruturais resultam em diferenças na condutividade eléctrica e resistência mecânica.
MWNTs são conjuntos SWNT concentricamente alinhados com diâmetros diferentes. A distância entre conchas adjacentes é de cerca de 0,34 nanómetros. Os MWNT diferem dos SWNT não só nas suas dimensões, mas também nas suas propriedades correspondentes. Foram desenvolvidas várias técnicas para produzir nanotubos de carbono em quantidade considerável, alto rendimento e pureza, mantendo ao mesmo tempo um custo razoável. Técnicas bem desenvolvidas incluem descarga de arco, ablação a laser, e deposição química de vapor (CVD), e a maioria dos processos envolvem condições dispendiosas de vácuo.
Descarga de árco foi inicialmente utilizada para a síntese de fulerenos. Numa configuração experimental típica, uma câmara cheia de gás inerte de baixa pressão (50 a 700 mbar) (hélio, árgon) é onde a reacção ocorre. Duas hastes de carbono são colocadas de ponta a ponta como os eléctrodos, separadas por alguns milímetros, e uma corrente contínua de 50 a 100 A (impulsionada por uma diferença potencial de 20 V) gera uma alta temperatura de descarga para sublime o eléctrodo negativo, deixando fuligem onde se encontram os nanotubos de carbono. Este método é a forma mais comum de sintetizar os nanotubos de carbono e talvez a forma mais fácil. A qualidade dos nanotubos de carbono depende da uniformidade do arco de plasma, dos catalisadores, e da selecção dos gases de enchimento. Uma mistura de nanotubos de carbono é normalmente produzida; assim, são necessários processos de purificação para remover os fulerenos, carbono amorfo e catalisadores.
Ablação laser foi utilizada pela primeira vez para produzir nanotubos de carbono em 1995. Um laser pulsado ou contínuo é utilizado para vaporizar um alvo de grafite (ou mistura de grafite metálica) num forno de 1.200 °C (2.200 °F) cheio de gás inerte a uma pressão de 500 torr. Os vapores de carbono arrefecem rapidamente durante a expansão, e os átomos de carbono condensam-se rapidamente para formar estruturas tubulares com a ajuda de partículas catalisadoras. Os MWNTs podem ser sintetizados quando a grafite pura é vaporizada, e os SWNTs são cultivados a partir de misturas de grafite- metal de transição (cobalto, níquel, etc.). O método é usado principalmente para sintetizar SWNTs com alta selectividade e de uma forma controlável de diâmetro através da adaptação das temperaturas de reacção. Os produtos resultantes são geralmente sob a forma de feixes. A ablação a laser é a técnica mais dispendiosa devido ao envolvimento de lasers dispendiosos e de alta potência de entrada.
A deposição química de vapor (CVD) é a forma mais promissora de produzir nanotubos de carbono à escala industrial. Este processo utiliza alta energia (600-900 °C ) para atomizar fontes gasosas de carbono, tais como metano, monóxido de carbono, e acetileno. Os átomos de carbono reactivos resultantes difundem-se para um substrato revestido de catalisador e condensam-se para formar nanotubos de carbono. Os nanotubos de carbono bem alinhados podem ser sintetizados com morfologia precisamente controlada, desde que sejam mantidas condições de reacção adequadas, incluindo preparação de substratos, selecção de catalisadores, etc.
Novel propriedades químicas, eléctricas e mecânicas ausentes noutros materiais foram descobertas em nanotubos de carbono. Os nanotubos de carbono primitivos são inertes à maioria das substâncias químicas e precisam de ser enxertados com grupos funcionais de superfície para aumentar a sua reactividade química e adicionar novas propriedades. Para os SWNTs, a condutividade eléctrica depende do vector quiral e independentemente do comprimento determinado pela mecânica quântica. Considerando um vector quiral com índices (n, m), os nanotubos de carbono são metálicos quando n = m ou (n – m) = 3i (i é um inteiro) e semicondutores em outros casos. Ao longo das direcções de longitude, os nanotubos de carbono apresentam uma resistência mecânica superior, com a maior resistência à tracção e módulo elástico conhecidos entre os materiais conhecidos.
As propriedades térmicas, os nanotubos de carbono superam o diamante como o melhor condutor térmico. As aplicações dos nanotubos de carbono visam fazer uso das suas propriedades únicas para resolver problemas à escala nanométrica. A sua elevada área de superfície, juntamente com a capacidade única de transportar quaisquer compostos químicos após modificação da superfície, oferece aos nanotubos de carbono o potencial para serem utilizados como suportes de catalisadores à escala nanométrica com alta reactividade catalítica e sensores químicos. São conhecidos por serem os melhores emissores de campo devido às suas pontas afiadas, que podem concentrar facilmente o campo eléctrico, permitindo-lhes emitir electrões a baixas tensões.
Esta propriedade tem aplicações especiais em ecrãs planos de emissão de campo e pistolas de electrões de cátodo frio utilizadas em microscópios. Na nanoelectrónica, os SWNTs têm sido utilizados para fabricar transístores que podem funcionar à temperatura ambiente e são potenciais candidatos para dispositivos que operam a frequências tetrahertz (THZ). Os materiais de engenharia que utilizam nanotubos de carbono como aditivos têm demonstrado capacidade para fazer compósitos plásticos com maior condutividade eléctrica e resistência mecânica. Para aplicações biomédicas, os nanotubos de carbono mostram promessa como veículos para a entrega de medicamentos e regeneração de células nervosas específicas. No entanto, o seu sucesso futuro em aplicações biológicas está altamente sujeito ao estudo de toxicidade, que ainda está numa fase inicial.
Alguns investigadores têm-se preocupado com os riscos para a saúde envolvendo nanotubos de carbono, que de acordo com a investigação de laboratório parecem representar um perigo para a saúde humana que é semelhante ao amianto. Em particular, a exposição aos nanotubos de carbono tem sido associada ao mesotelioma, um cancro do revestimento pulmonar. Se inalados, acredita-se que os nanotubos podem cicatrizar os tecidos pulmonares de uma forma semelhante às fibras de amianto, um motivo de preocupação porque os nanotubos já são utilizados em muitos produtos comuns, tais como quadros de bicicletas, carroçarias de automóveis, e raquetes de ténis. Os potenciais riscos para a saúde são relevantes não só para os envolvidos no fabrico, mas também para o público em geral, e tem sido feita pouca investigação para determinar se são criados riscos para a saúde humana quando produtos contendo nanotubos são esmagados ou incinerados num depósito de resíduos.