Há trinta anos, cientistas realizaram com sucesso a primeira síntese controlada de nanotubos de carbono de parede simples. Desde então, esses nanotubos foram incorporados a produtos que variam de têxteis e artigos esportivos a baterias e células solares. À medida que seus usos cresceram, também aumentou o interesse em relação às suas potenciais aplicações.
Pesquisadores estão buscando ativamente aplicações novas e inovadoras para esses materiais devido às suas propriedades únicas. O sucesso pode significar avanços cruciais em energia renovável, administração de medicamentos e muito mais. As possibilidades para os nanotubos de carbono são imensas em muitos setores.
O que são nanotubos de carbono de parede simples?
Os nanotubos de carbono de parede simples podem ser pensados como uma única folha de átomos de carbono, semelhante ao grafeno, enrolada em formato de tubo. Eles são comumente gerados em um forno a vácuo, onde um substrato contendo catalisador interage com um precursor gasoso que contém carbono. Esse precursor reage com o substrato catalítico, levando ao crescimento de nanotubos em um processo semelhante à fabricação de filmes na indústria de semicondutores.
A publicação de uma reação controlada para produzir nanotubos de carbono de parede simples seguiu a descoberta dos nanotubos de carbono de paredes múltiplas em 1991. Os nanotubos de paredes múltiplas podem apresentar grandes variações em suas propriedades mecânicas e elétricas, por isso os cientistas frequentemente buscam a variedade de parede simples para ter mais controle sobre suas características. A principal inovação que permitiu a síntese de nanotubos de parede simples foi o uso de partículas catalisadoras no processo de deposição.
Os nanotubos de carbono apresentam ligações fortes entre os átomos de carbono. Sua resistência à tração pode ser superior à do aço, além de serem leves, termicamente condutores e passíveis de serem preenchidos com outros materiais ou combinados com outros materiais em nanoescala para aproveitar suas propriedades.
As propriedades elétricas dos nanotubos de carbono de parede simples também são interessantes e altamente dependentes da estrutura. Eles podem ser totalmente condutores como um metal ou semicondutores, dependendo de sua quiralidade, que é o grau de torção espiral ao longo de seu comprimento. A quiralidade varia de tubo para tubo à medida que crescem em um substrato e determina se um nanotubo individual é semicondutor ou se comporta como um metal.
Aplicações dos nanotubos de carbono de parede simples até o momento
Essas propriedades únicas, como alta resistência e baixo peso, tornam os nanotubos de carbono de parede simples adições importantes a materiais compostos. Eles são comumente usados em coletes à prova de balas, artigos esportivos como raquetes de tênis e bicicletas, e bens duráveis como barcos e iates.
As propriedades elétricas dos nanotubos de carbono também abriram possibilidades significativas e já são utilizadas em eletrônicos de mercado de massa, como baterias de íon-lítio para veículos elétricos. Um estudo recente demonstrou que os nanotubos de carbono melhoraram a capacidade de potência e a vida útil dos eletrodos nesses tipos de baterias. Graças à sua resistência, os nanotubos de carbono também ajudam o eletrodo da bateria a suportar melhor os estresses mecânicos associados aos ciclos de carga/descarga e à flexão.
Oportunidades para inovação
O armazenamento de energia baseado em baterias e a energia renovável são apenas duas das muitas aplicações potenciais para os nanotubos de carbono de parede simples. Uma análise da CAS Content Collection™ usando processamento de linguagem natural foi publicada recentemente na ACS Nano e revela várias tendências e conexões interessantes.
Algumas aplicações aparecem com mais frequência em patentes do que em publicações científicas, notadamente baterias, imagens e blindagem eletromagnética. Isso sugere que essas aplicações são consideradas como tendo mais potencial comercial. O crescimento na adoção de veículos elétricos e a consequente demanda por baterias de íon-lítio nos últimos anos correspondem ao número significativo de menções a nanotubos de carbono de parede simples em pedidos de patentes de baterias.
Outros campos estão apresentando mais atividade em pesquisa acadêmica. Fotônica e células solares, por exemplo, são áreas ativas de pesquisa, e o armazenamento de hidrogênio é um campo de estudo pequeno, mas em crescimento. Isso ocorre porque a grande área superficial dos nanotubos permite que eles adsorvam eficientemente o gás hidrogênio, o que pode superar desafios de longa data no armazenamento desse gás. Adicionar nanopartículas à superfície dos nanotubos pode impulsionar mais reações com o hidrogênio para aumentar ainda mais a capacidade dos nanotubos de absorvê-lo.
Aplicações biomédicas como a entrega de medicamentos — embora muito diferentes dos outros casos de uso para nanotubos de carbono de parede simples — também são importantes para os pesquisadores, já que essas moléculas podem desempenhar um papel na medicina personalizada. Eletrodos implantáveis, que aproveitariam a condutividade aprimorada dos nanotubos, são outra inovação potencial no campo biomédico, à medida que dispositivos de neurotecnologia vestíveis e implantáveis se tornam realidade.
Essas aplicações estão prontas para mais pesquisas e demonstrações de segurança, eficácia e consistência, mas mostram que os nanotubos de carbono de parede simples oferecem uma imensa gama de possibilidades científicas.
Grande potencial para nanotecnologias
Nos últimos 30 anos, os nanotubos de carbono de parede simples deixaram de ser objeto de estudos laboratoriais fundamentais para se tornarem inovações comercializadas em diversos setores. Agora, eles estão posicionados para serem fundamentais na transição energética, na evolução dos VEs e até mesmo na medicina personalizada.
Os nanotubos, juntamente com outros nanomateriais emergentes, continuarão a remodelar o futuro. Desde alternativas sustentáveis de biomateriais e novas aplicações como impressão 3D em campos da biomedicina, esse ritmo acelerado de inovação continuará a crescer nos próximos anos.
