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Os nanotubos de carbono (CNTs) são estruturas em escala nanométrica com imenso potencial para melhorar diferentes materiais, mas inconsistências em suas propriedades químicas e elétricas, pureza, custo e preocupações sobre possível toxicidade apresentam desafios persistentes. CNTs são um alótropo de carbono unidimensional feito de uma rede de carbono hibridizada do tipo sp2 em formato cilíndrico. Os CNTs de parede única são um tubo simples, enquanto os CNTs de paredes múltiplas são aninhados concentricamente ou enrolados como um pergaminho (Figura 1).
Esses materiais em nanoescala apresentam alto módulo de Young e resistência à tração e podem ter propriedades elétricas metálicas ou semicondutoras. O controle do arranjo atômico (quiralidade) afeta a condutividade e, por isso, pesquisadores vêm tentando entender como é possível usar parâmetros de síntese para gerar CNTs com propriedades elétricas previsíveis. Foram desenvolvidas várias receitas baseadas em deposição química de vapor (CVD) nos últimos 20 anos para sintetizar os CNTs, o que melhorou a situação.
Como vimos em nossa análise do CAS Content Collection™, a maior coleção mundial de informações científicas publicadas com curadoria humana, o aumento na atividade de patentes indica um grande interesse em aplicações comerciais para CNTs (Figura 2).
O crescimento de patentes em tecnologias de baterias
A resistência e a condutividade dos CNTs os tornam úteis como materiais para baterias, onde fornecem suporte mecânico durante o processo, prolongando assim a vida útil da bateria, ao mesmo tempo que atuam como caminhos eletricamente condutores. Nossa análise de publicações relacionadas a CNTs revelou que as publicações de patentes que fazem referência a baterias foram cerca de três vezes mais frequentes que as publicações em revistas. (Figura 3)
Essas tendências nas publicações refletem a viabilidade comercial dos CNTs e seu potencial para serem utilizados em um número crescente de aplicações de baterias para veículos elétricos e dispositivos inteligentes. Numerosas patentes de baterias vêm da China, da Coreia e dos EUA, provavelmente impulsionadas por grandes indústrias eletrônicas de consumo e fabricantes de veículos elétricos nessas regiões.
As publicações sobre CNTs abrangem vários produtos químicos para baterias. As baterias de íons de lítio dominam, mas as publicações envolvendo baterias de íons de zinco mostraram uma taxa de crescimento notavelmente alta nos últimos anos. Nas baterias de íons de zinco, o papel dos CNTs é formar estruturas de alta área superficial, mecanicamente resilientes, flexíveis e condutoras de elétrons que dão suporte para outros materiais catódicos ativos. Isso melhora a capacidade de taxa e a retenção da capacidade após ciclos repetidos.
O surgimento dos nanomateriais MXeno também está despertando o interesse para uso em eletrodos de baterias. Nessa aplicação, os CNTs podem ser usados para controlar o espaçamento entre as folhas de MXeno e evitar que sejam empilhadas novamente, o que melhora o transporte de íons. As combinações CNT-MXeno também podem ser usadas em supercapacitores em aplicações de armazenamento de energia, embora essas citações de publicações sejam principalmente em revistas, o que sugere que ainda não estão prontas para comercialização em larga escala.
Um crescimento constante em aplicações de compósitos
Desde que foram descobertos 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. Estão presentes em produtos que vão de artigos esportivos a revestimentos industriais. Agora as publicações mencionam o uso do CNT em hidrogéis, resinas epóxi e polímeros, incluindo o polímero renovável e biodegradável poli(ácido láctico) (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 marcantes envolvem CNTs combinados com matrizes poliméricas para blindagem eletromagnética. A abundância de publicações em revistas e patentes relacionadas a compósitos demonstra a viabilidade das inovações em compósitos de CNT tanto em aplicações já comerciais quanto nas mais experimentais.
Interesse de pesquisa para uso em sensores e na biomedicina
Dois campos em que a pesquisa sobre CNTs não atingiu a comercialização em larga escala, mas tem um potencial significativo, são o uso em sensores e em biomedicina, como a administração de medicamentos. Os sensores constituem a segunda maior aplicação referenciada em publicações de revistas relacionados aos CNTs. Os CNTs podem ser usados para ativar sensores químicos e sensores mecânicos, como os usados para medir tensão ou pressão para detectar movimento humano. Sua força, proporção de aspecto, 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 sobre CNTs em revistas estivessem relacionadas a sensores, apenas 7% das publicações de patentes referem-se a eles. É possível que, nesta fase do desenvolvimento, a fabricação de alguns sensores em escala laboratorial exija mais mão de obra ou materiais caros para montagem, o que seria comercialmente inviável. Por outro lado, os sensores concebidos em laboratório podem ser provas de conceito ou utilizar estímulos alvo que sejam de interesse comercial relativamente menor para desenvolvimento futuro.
Da mesma forma, as aplicações biomédicas dos CNTs representam 9% das publicações em revistas, 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 da pureza, tamanho e formato. Por causa disso, são necessários mais ensaios clínicos para explorar completamente os usos específicos em biomedicina antes da comercialização.
Possíveis aplicações em remediação ambiental
A alta área superficial e a personalização química dos CNTs os tornam ideais para absorver e remover outros tipos de poluentes ambientais. Eles também podem ser modificados e adaptados usando cocatalisadores para aumentar a reatividade com certos poluentes. Por exemplo, uma perovskita de óxido de ferro de lantânio-gadolínio reforçada com CNTs mostrou fotocatálise melhorada da degradação do vermelho de fenol em comparação com uma perovskita sem CNT.
Os CNTs também podem ser usados como adsorventes em tratamento de águas residuais. Eles removeram com sucesso a ciprofloxacina, um antibiótico difícil de remover e prejudicial aos organismos aquáticos. Desde então, vimos um crescimento significativo nas citações comparando o desempenho dos CNTs e de biocarvão na remoção de poluentes ambientais.
Os artigos de revistas relacionados aos CNTs e à remediação ambiental são muito mais numerosos que as publicações de patentes. As possíveis explicações para isso são que o custo os torna economicamente inviáveis para atividades de remediação; ou que são necessárias mais pesquisas básicas para melhorar sua eficiência.
Desafios dos CNTs a serem superados
As aplicações dos CNTs abrangem campos tão diversos como armazenamento de energia, bens duráveis, eletrônica, remediação ambiental e dispositivos biomédicos. Suas propriedades exclusivas os tornam uma adição valiosa para uma ampla gama de produtos, mas essas aplicações exigem uma alta precisão, o que complica seu uso. Nossa análise indicou que o ajuste dos 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 ajudem a superar alguns desses desafios.
Pesquisas adicionais, especialmente ensaios in vivo e clínicos, ajudarão os cientistas a compreender melhor os riscos de toxicidade em aplicações biomédicas. Quanto mais CNTs forem gerados, mais os pesquisadores compreenderão e controlarão sua pureza. O aumento da produção também pode resolver os problemas atuais de custo, o que poderia estimular o desenvolvimento de CNTs para soluções de remediação ambiental e aplicações mais sensíveis ao custo.
Os obstáculos à pesquisa ainda não significativos. Porém, com a inovação contínua, os CNTs podem atingir um extenso potencial comercial.
