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.