Os nanotubos de carbono (NTCs) são estruturas em escala nanométrica com imenso potencial para melhorar diferentes materiais, mas inconsistências em suas propriedades químicas e elétricas, pureza, custo e preocupações com a possível toxicidade apresentam desafios contínuos. Os NTCs são um alótropo de carbono unidimensional feito de uma rede de carbono com hibridização sp2 em formato cilíndrico. Os NTCs de parede simples são um tubo simples, enquanto os NTCs de paredes múltiplas são aninhados concentricamente ou enrolados como um pergaminho (Figura 1).
Estes materiais em nanoescala apresentam um alto módulo de Young e resistência à tração, podendo ter propriedades elétricas metálicas ou semicondutoras. O controle de seu arranjo atômico (quiralidade) afeta sua condutividade e, por isso, pesquisadores têm tentado entender como os parâmetros de síntese podem ser usados para gerar NTCs com propriedades elétricas previsíveis. O desenvolvimento de várias receitas baseadas em deposição química de vapor (CVD) nos últimos 20 anos para sintetizar NTCs melhorou essa situação.
Como vimos em nossa análise da CAS Content Collection™, a maior coleção de informações científicas publicadas curada por humanos no mundo, o aumento na atividade de patentes indica um alto nível de interesse em aplicações comerciais para NTCs (Figura 2).
Crescimento de patentes em tecnologias de bateria
A resistência e a condutividade dos NTCs os tornam úteis em materiais de bateria, onde fornecem suporte mecânico durante os ciclos de carga e descarga, prolongando assim a vida útil da bateria, ao mesmo tempo em que atuam como vias eletricamente condutoras. Nossa análise de publicações relacionadas a NTCs revelou que as publicações de patentes fazem referência a baterias cerca de três vezes mais frequentemente do que as publicações de periódicos. (Figura 3)
Essas tendências de publicação refletem a viabilidade comercial dos NTCs e seu potencial para serem usados em um número crescente de aplicações de bateria para VEs e dispositivos inteligentes. Inúmeras patentes de baterias vêm da China, Coreia e EUA, provavelmente impulsionadas pelas grandes indústrias de eletrônicos de consumo e fabricantes de veículos elétricos nessas regiões.
As publicações sobre NTCs compreendem várias químicas de bateria — as baterias de íon-lítio dominam, mas as publicações envolvendo baterias de íon-zinco mostraram uma taxa de crescimento notavelmente alta nos últimos anos. Em baterias de íon-zinco, o papel dos NTCs é formar estruturas de alta área superficial, mecanicamente resilientes, flexíveis e eletrocondutoras que suportam outros materiais catódicos ativos. Isso melhora a capacidade de taxa e a retenção de capacidade após ciclos repetidos.
O surgimento de nanomateriais de MXene também está estimulando o interesse em seu uso em eletrodos de baterias. Nessa aplicação, os CNTs podem ser usados para controlar o espaçamento entre as folhas de MXene e evitar que elas se reempilhem, o que melhora o transporte de íons. Combinações de CNT-MXene também podem ser usadas em supercapacitores para aplicações de armazenamento de energia, embora essas citações em publicações sejam encontradas principalmente em periódicos, sugerindo que não estão prontas para comercialização em larga escala.
Crescimento constante em aplicações de compósitos
Desde sua descoberta no início da década de 1990, as principais aplicações dos CNTs têm sido em compósitos, onde contribuem com resistência mecânica e alta condutividade térmica e elétrica. Eles são encontrados em produtos que variam de artigos esportivos a revestimentos industriais. Agora, vemos publicações sobre CNTs citando seu uso em hidrogéis, resinas epóxi e polímeros, incluindo o polímero renovável e biodegradável ácido polilático (PLA). Em alguns desses casos, os CNTs são usados para reforçar materiais frágeis e ajudá-los a resistir a aplicações mecanicamente exigentes. (Figura 6)
Outras citações notáveis envolvem CNTs combinados com matrizes poliméricas para blindagem eletromagnética. A grande quantidade de publicações, tanto em periódicos quanto em patentes, relacionadas a compósitos demonstra a viabilidade das inovações em compósitos de CNT em aplicações comerciais e mais experimentais.
Interesse de pesquisa em sensores e usos biomédicos
Dois campos onde a pesquisa com CNTs ainda não atingiu a comercialização em larga escala, mas possui um potencial significativo, são sensores e usos biomédicos, como a administração de medicamentos. Os sensores constituem a segunda maior aplicação referenciada em publicações de periódicos relacionadas a CNTs. Os CNTs podem ser usados para viabilizar sensores químicos e mecânicos, como aqueles usados para medir deformação ou pressão para detecção de movimento humano. Sua resistência, proporção, condutividade e capacidade de serem funcionalizados quimicamente os tornam úteis na conversão e transmissão desses estímulos, o que explica seu potencial nesses dispositivos.
Nossa análise revelou que, embora 14% das publicações de periódicos sobre CNTs se relacionem a sensores, apenas 7% das publicações de patentes o fazem. É possível que, nesta fase de desenvolvimento, a fabricação de alguns sensores em escala laboratorial exija mais mão de obra ou materiais caros para montagem do que seria comercialmente viável. Alternativamente, sensores concebidos em laboratório podem ser provas de conceito ou utilizar estímulos-alvo de interesse comercial relativamente menor para desenvolvimento futuro.
Da mesma forma, as aplicações biomédicas de CNTs compõem 9% das publicações de periódicos, mas apenas 3% das publicações de patentes. Os CNTs têm sido usados como material de reforço para stents de administração de medicamentos, material condutor em cateteres nervosos e material antibacteriano e estrutural para implantes ósseos. Essas aplicações são promissoras, mas os CNTs podem apresentar toxicidade dependendo de sua pureza, tamanho e forma. Por isso, são necessários mais ensaios clínicos para explorar totalmente seus usos biomédicos específicos antes da comercialização.
Potencial para aplicações de remediação ambiental
A alta área superficial e a customização química dos CNTs os tornam ideais para absorção e outros tipos de remoção de poluentes ambientais. Eles também podem ser modificados e adaptados usando co-catalisadores para aumentar a reatividade com certos poluentes. Por exemplo, um óxido de lantânio-gadolínio-ferro-perovskita reforçado com CNTs mostrou fotocatálise aprimorada da degradação do vermelho de fenol em comparação com uma perovskita sem CNT.
Os CNTs também podem ser usados como adsorventes para tratamento de águas residuais. Eles removeram com sucesso a ciprofloxacina, um antibiótico de difícil remoção que é prejudicial aos organismos aquáticos. Desde então, observamos um crescimento significativo nas citações que comparam o desempenho de CNTs e biocarvão para a remoção de poluentes ambientais.
Artigos de periódicos relacionados a CNTs e remediação ambiental são muito mais numerosos do que publicações de patentes. Possíveis explicações para isso são que seu custo os torna economicamente inviáveis para atividades de remediação, ou que mais pesquisas básicas são necessárias para melhorar sua eficiência.
Desafios dos CNTs a serem superados
As aplicações dos CNTs abrangem campos tão diversos quanto armazenamento de energia, bens duráveis, eletrônicos, remediação ambiental e dispositivos biomédicos. Suas propriedades únicas os tornam adições valiosas a uma ampla gama de produtos, mas a necessidade de precisão nessas aplicações complica seu uso. Nossa análise indicou que ajustar os parâmetros de síntese para controlar o tamanho e a quiralidade continua sendo uma área ativa de pesquisa. Como a quiralidade determina as propriedades elétricas dos CNTs, essa pesquisa pode levar a métodos que superem alguns desses desafios.
Pesquisas adicionais, particularmente ensaios in vivo e clínicos, ajudarão os cientistas a entender melhor os riscos de toxicidade em aplicações biomédicas. Quanto mais CNTs forem gerados, mais os pesquisadores entenderão e controlarão sua pureza. Aumentar a produção também pode resolver os problemas de custo atuais, o que poderia estimular o desenvolvimento de CNTs para soluções de remediação ambiental e aplicações mais sensíveis ao custo.
Obstáculos significativos de pesquisa permanecem, mas com inovação contínua, os CNTs podem atingir seu amplo potencial comercial.
