Nanotubos de carbono: estrutura, propriedades, aplicações, toxicidade - Ciência - 2023

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o Nanotubos de carbono Eles são tubos ou cilindros muito pequenos e muito finos compostos apenas de átomos de carbono (C). Sua estrutura tubular é visível apenas por meio de microscópios eletrônicos. É um material preto sólido, feito de feixes muito pequenos ou feixes de várias dezenas de nanotubos, emaranhados uns com os outros para formar uma rede complicada.

O prefixo "nano" significa "muito pequeno". A palavra "nano" usada em medições significa que é um bilionésimo de uma medição. Por exemplo, um nanômetro (nm) é um bilionésimo de um metro, ou seja, 1 nm = 10^-9 m.

Cada minúsculo nanotubo de carbono é feito de uma ou mais folhas de grafite enroladas em torno de si mesmas. Eles são classificados em nanotubos de parede única (uma única folha enrolada) e nanotubos de paredes múltiplas (dois ou mais cilindros um dentro do outro).

Os nanotubos de carbono são muito fortes, têm alta resistência à quebra e são muito flexíveis. Eles conduzem calor e eletricidade muito bem. Eles também fazem um material muito leve.

Essas propriedades os tornam úteis em vários campos de aplicação, como a indústria automotiva, aeroespacial, eletrônica, entre outras. Eles também têm sido usados na medicina, por exemplo, para transportar e distribuir medicamentos anticâncer, vacinas, proteínas, etc.

Porém, seu manuseio deve ser feito com equipamentos de proteção, pois quando inalados podem causar danos aos pulmões.

Descoberta de nanotubos de carbono

Existem diferentes opiniões na comunidade científica sobre quem descobriu os nanotubos de carbono. Embora existam muitos trabalhos de pesquisa sobre esses materiais, apenas algumas datas importantes são mencionadas abaixo.

- Em 1903, o cientista francês Pélabon observou filamentos de carbono em uma amostra (microscópios eletrônicos ainda não estavam disponíveis nesta data).

- Em 1950, o físico Roger Bacon, da empresa Union Carbide, estudava certas amostras de fibras de carbono e observava imagens de nano-fluff ou nanobigots. nanowhiskers) reto e oco.

- Em 1952, os cientistas russos Radushkevich e Lukyanovich publicaram fotos de imagens de nanotubos de carbono sintetizados por eles próprios e obtidos com um microscópio eletrônico, onde se observa claramente que são ocos.

- Em 1973, os cientistas russos Bochvar e Gal'pern concluíram uma série de cálculos dos níveis de energia dos orbitais moleculares mostrando que as folhas de grafite podem se torcer para formar “moléculas ocas”.

- Em 1976, Morinobu Endo observou fibras de carbono com centro oco produzidas pela pirólise do benzeno e do ferroceno a 1000 ° C (pirólise é um tipo de decomposição que ocorre com aquecimento a temperaturas muito altas na ausência de oxigênio).

- Em 1991, o entusiasmo pelos nanotubos de carbono surgiu depois que Sumio Iijima sintetizou agulhas de carbono feitas de tubos ocos usando a técnica do arco elétrico.

- Em 1993, Sumio Iijima e Donald Bethune (trabalhando independentemente um do outro) descobriram simultaneamente nanotubos de carbono de parede única.

Interpretações de algumas das fontes consultadas

Segundo algumas fontes de informação, talvez o crédito pela descoberta dos nanotubos de carbono deva ir para os cientistas russos Radushkevich e Lukyanovich em 1952.

Pensa-se que não receberam o devido crédito porque naquela época existia a chamada “guerra fria” e os cientistas ocidentais não tinham acesso aos artigos russos. Além disso, muitos não conseguiam traduzir do russo, o que atrasou ainda mais a análise de suas pesquisas no exterior.

Em muitos artigos é dito que Iijima foi quem descobriu os nanotubos de carbono em 1991. No entanto, alguns pesquisadores estimam que o impacto do trabalho de Iijima se deve ao fato de a ciência já ter atingido um grau de maturidade suficiente para apreciar a importância dos nanotubos de carbono. nanomateriais.

Há quem afirme que nessas décadas os físicos em geral não liam artigos em revistas de química, onde já se falava sobre nanotubos de carbono, e que por isso ficaram "surpresos" com o artigo de Iijima.

Mas tudo isso não diminui a alta qualidade do trabalho de Iijima de 1991. E a diferença de opinião permanece.

Nomenclatura

- Nanotubos de carbono, ou CNTs (acrônimo do inglês Nanotubos de carbono).

- Nanotubos de carbono de parede única ou SWCNTs. Nanotubos de carbono de parede única).

- Nanotubos de carbono de paredes múltiplas, ou MWCNTs. Nanotubos de carbono com paredes múltiplas).

Estrutura

Estrutura física

Os nanotubos de carbono são tubos ou cilindros muito finos e pequenos, cuja estrutura só pode ser vista com um microscópio eletrônico. Eles consistem em uma folha de grafite (grafeno) enrolada em um tubo.

Eles são moléculas cilíndricas ocas compostas apenas por átomos de carbono. Os átomos de carbono são arranjados na forma de pequenos hexágonos (polígonos de 6 lados) semelhantes ao benzeno e ligados entre si (anéis de benzeno condensados).

Os tubos podem ou não ser plugados em suas aberturas e podem ser extremamente longos quando comparados aos seus diâmetros. Eles são equivalentes a folhas de grafite (grafeno) enroladas em tubos sem costura.

Estrutura química

Os CNTs são estruturas poliaromáticas. As ligações entre os átomos de carbono são covalentes (ou seja, não são iônicas). Esses links estão dentro do mesmo plano e são muito fortes.

A força das ligações C = C torna os CNTs muito rígidos e fortes. Em outras palavras, as paredes desses tubos são muito resistentes.

As juntas fora do plano são muito fracas, o que significa que não há juntas fortes entre um tubo e outro. No entanto, são forças atrativas que permitem a formação de feixes ou feixes de nanotubos.

Classificação de acordo com o número de tubos

Os nanotubos de carbono são divididos em dois grupos: nanotubos de parede única ou SWCNTs. NanoTube de carbono de parede única), e nanotubos de paredes múltiplas, ou MWCNTs. NanoTube de carbono com várias paredes).

Nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) são compostos de uma única folha de grafeno enrolada em um cilindro, onde os vértices dos hexágonos se encaixam perfeitamente para formar um tubo sem costura.

Nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) são constituídos por cilindros concêntricos colocados em torno de um centro oco comum, ou seja, dois ou mais cilindros ocos colocados um dentro do outro.

Classificação de acordo com a forma de enrolamento

Dependendo da forma como a folha de grafeno é enrolada, o padrão formado pelos hexágonos nos CNTs pode ser: em forma de cadeira, em zigue-zague e helicoidal ou quiral. E isso influencia suas propriedades.

Propriedades físicas

Os nanotubos de carbono são sólidos. Eles se reúnem para formar buquês, feixes, feixes ou "cordas" de várias dezenas de nanotubos, emaranhados em uma rede muito densa e complicada.

Eles têm uma resistência à tração maior que a do aço. Isso significa que eles possuem uma alta resistência à quebra quando submetidos a esforços. Em teoria, eles podem ser centenas de vezes mais fortes que o aço.

São muito elásticos, podem ser dobrados, torcidos e dobrados sem danificar e depois regressam à sua forma inicial. Eles são muito leves.

Eles são bons condutores de calor e eletricidade. Diz-se que eles têm um comportamento eletrônico muito versátil ou alta condutividade eletrônica.

Os tubos dos CNTs cujos hexágonos estão dispostos em forma de cadeira têm comportamento metálico ou semelhante ao dos metais.

Aqueles dispostos em zigue-zague e padrão helicoidal podem ser metálicos e semicondutores.

Propriedades quimicas

Devido à força das ligações entre seus átomos de carbono, os CNTs podem suportar temperaturas muito altas (750 ° C à pressão atmosférica e 2800 ° C sob vácuo).

As extremidades dos nanotubos são quimicamente mais reativas do que a parte cilíndrica. Se eles forem submetidos à oxidação, as pontas serão oxidadas primeiro. Se os tubos estiverem fechados, as pontas se abrem.

Quando tratado com ácido nítrico HNO₃ ou ácido sulfúrico H₂SW₄ sob certas condições, os CNTs podem formar grupos do tipo carboxílico -COOH ou grupos do tipo quinona O = C-C₄H₄-C = O.

Os CNTs com diâmetros menores são mais reativos. Os nanotubos de carbono podem conter átomos ou moléculas de outras espécies em seus canais internos.

Solubilidade

Por não apresentarem nenhum grupo funcional em sua superfície, os NTCs são muito hidrofóbicos, ou seja, são extremamente pouco compatíveis com a água e não são solúveis nesta ou em solventes orgânicos apolares.

No entanto, se os CNTs reagirem com alguns compostos, eles podem se tornar solúveis. Por exemplo, com ácido nítrico HNO₃ eles podem ser solubilizados em alguns solventes do tipo amida sob certas condições.

Propriedades bioquímicas

Os nanotubos de carbono puro são bioincompatíveis, o que significa que não são compatíveis ou relacionados à vida ou aos tecidos vivos. Eles geram uma resposta imunológica do organismo, pois são considerados elementos agressivos.

Por esse motivo, os cientistas os modificam quimicamente de modo que sejam aceitos pelos tecidos do corpo e possam ser usados em aplicações médicas.

Eles podem interagir com macromoléculas como proteínas e DNA, que é a proteína que compõe os genes dos seres vivos.

Obtendo

Os nanotubos de carbono são feitos de grafite por várias técnicas, como vaporização por pulso de laser, descarga de arco elétrico e deposição química de vapor.

Eles também foram obtidos a partir de uma corrente de alta pressão de monóxido de carbono (CO) por crescimento catalítico na fase gasosa.

A presença de catalisadores metálicos em alguns métodos de produção auxilia no alinhamento dos nanotubos de paredes múltiplas.

No entanto, um nanotubo de carbono não é uma molécula que sempre resulta a mesma. Dependendo do método de preparação e das condições, são obtidos com comprimentos, diâmetros, estruturas e pesos diferentes e, por isso, apresentam propriedades distintas.

Aplicações de nanotubos de carbono

As propriedades dos CNTs os tornam adequados para uma ampla variedade de usos.

Eles têm sido usados em materiais estruturais para eletrônica, óptica, plásticos e outros produtos nas áreas de nanotecnologia, indústria aeroespacial e produção automotiva.

Composições ou misturas de materiais com CNTs

Os CNTs foram combinados com polímeros para fazer fibras e tecidos poliméricos reforçados de alto desempenho. Por exemplo, eles têm sido usados para reforçar fibras de poliacrilonitrila para fins de defesa.

As misturas de CNTs com polímeros também podem ser projetadas para ter diferentes propriedades eletricamente condutoras. Eles melhoram não apenas a resistência e a rigidez do polímero, mas também adicionam propriedades de condutividade elétrica.

As fibras e tecidos dos CNTs também são fabricados com resistências semelhantes às do alumínio e do aço carbono, mas que são muito mais leves do que estes. A armadura corporal foi projetada com essas fibras.

Eles também têm sido usados para obter cerâmicas mais resistentes.

Dispositivos eletrônicos

Os nanotubos de carbono têm grande potencial em eletrônica a vácuo, nanodispositivos e armazenamento de energia.

Os CNTs podem funcionar como diodos, transistores e relés (dispositivos eletromagnéticos que permitem a abertura e fechamento de circuitos elétricos).

Eles também podem emitir elétrons quando submetidos a um campo elétrico ou se uma voltagem for aplicada.

Sensores de gás

O uso de CNTs em sensores de gás permite que estes sejam pequenos, compactos e leves e que possam ser combinados com aplicações eletrônicas.

A configuração eletrônica dos CNTs torna os sensores muito sensíveis a quantidades extremamente pequenas de gases e, além disso, os CNTs podem ser quimicamente adaptados para detectar gases específicos.

Aplicações médicas

Devido à sua alta área de superfície, excelente estabilidade química e estrutura poliaromática rica em elétrons, os CNTs podem ser adsorvidos ou conjugados com uma ampla variedade de moléculas terapêuticas, como drogas, proteínas, anticorpos, enzimas, vacinas, etc.

Eles provaram ser excelentes veículos para o transporte e entrega de medicamentos, penetrando diretamente nas células e mantendo o medicamento intacto durante seu transporte pelo corpo.

Este último permite reduzir a dose do medicamento e sua toxicidade, principalmente os anticâncer.

Os CNTs têm se mostrado úteis em terapias contra câncer, infecções, regeneração de tecidos, doenças neurodegenerativas e como antioxidantes.

Também são utilizados no diagnóstico de doenças, em determinadas análises, como biossensores, separação de medicamentos e extração de compostos bioquímicos.

Eles também estão sendo usados em próteses ortopédicas e como material de suporte para o crescimento do tecido ósseo.

Outros aplicativos

Eles também foram sugeridos como materiais para baterias e membranas de células de combustível, ânodos para baterias de íons de lítio, supercapacitores e filtros químicos.

Sua alta condutividade elétrica e relativa inércia química os tornam úteis como eletrodos em reações eletroquímicas.

Eles também podem aderir a partículas reagentes e, devido à sua grande área superficial, podem funcionar como suportes de catalisador.

Também têm capacidade para armazenar hidrogênio, muito útil em veículos movidos a esse gás, pois com os CNTs pode ser transportado com segurança.

Toxicidade de nanotubos de carbono

Estudos revelaram dificuldades em avaliar a toxicidade dos CNTs. Isso parece depender de características como comprimento, rigidez, concentração e duração da exposição aos CNTs. Também depende do método de produção e da pureza dos CNTs.

No entanto, é recomendado o uso de equipamentos de proteção ao manusear os NTCs, pois há estudos que indicam sua semelhança com as fibras de amianto e que a inalação do pó do CNT pode causar danos aos pulmões.

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