Tecnologia pequena, possibilidades imensas

Há trinta anos, os cientistas realizavam com sucesso a primeira síntese controlada de nanotubos de carbono de parede simples. Desde então, os nanotubos têm sido incorporados em produtos que vão de tecidos e artigos esportivos a baterias e células solares. À medida que o uso aumenta, aumenta também o interesse em relação a possíveis aplicações.

Os pesquisadores estão em busca ativa de aplicações inovadoras e inéditas para esses materiais, cujas propriedades são únicas. E o sucesso pode significar avanços cruciais em energia renovável, drug delivery e em muitas outras áreas. As possibilidades para os nanotubos de carbono são imensas em todas as indústrias.

O que são nanotubos de carbono de parede simples?

Os nanotubos de carbono de parede simples podem ser imaginados como uma única folha de átomos de carbono, semelhante ao grafeno, que são enrolados em formato de tubo. Normalmente, são gerados em um forno a vácuo onde um substrato que contém um catalisador interage com um gás precursor que contém carbono. O precursor reage com o substrato catalítico, levando ao crescimento de nanotubos em um processo semelhante à produção de filmes na fabricação de semicondutores.

A publicação de uma reação controlada para produzir nanotubos de carbono de parede simples acompanhou a descoberta de nanotubos de carbono de paredes múltiplas em 1991. Nanotubos de paredes múltiplas podem apresentar grandes variações nas propriedades mecânicas e elétricas, motivo pelo qual os cientistas têm frequentemente buscado 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.

Nanotubos de carbono apresentam ligações fortes entre átomos de carbono. Podem ter resistência à tração maior que a do aço. Além de serem leves, são condutores térmicos e podem ser preenchidos com outros materiais ou combinados com outros materiais em escala nanométrica para alavancar as propriedades deles.

As propriedades elétricas dos nanotubos de carbono de parede simples também são interessantes e altamente dependentes da estrutura. Podem ser condutores completos, como um metal ou semicondutor, 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 cima do substrato e determina se um nanotubo individual é semicondutor ou se comporta como um metal.

Aplicações de nanotubos de carbono de parede simples até o momento

Com propriedades exclusivas, como alta resistência e baixo peso, tornam os nanotubos de carbono de parede simples uma incorporação importante aos materiais compósitos. São usados geralmente em coletes à prova de balas, artigos esportivos, como raquetes de tênis e bicicletas, e bens duráveis, como barcos e iates.

As propriedades elétricas também geraram possibilidades significativas aos nanotubos de carbono, que já são utilizados em produtos eletrônicos de consumo em massa, como baterias de íons de lítio para veículos elétricos. Um estudo recente demonstrou que os nanotubos de carbono melhoraram a capacidade de energia e a vida útil dos eletrodos dessas baterias. Graças à sua resistência, os nanotubos de carbono também ajudam o eletrodo da bateria a resistir melhor às tensões mecânicas associadas aos ciclos de carga/descarga e flexão.

Oportunidades para inovar

O armazenamento de energia baseado em bateria e a energia renovável são apenas duas das muitas aplicações possíveis para nanotubos de carbono de parede simples. Uma análise do CAS Content Collection™ usando o processamento de linguagem natural foi publicado recentemente na ACS Nano e revela várias tendências e conexões interessantes.

Algumas aplicações aparecem com mais frequência em patentes em comparação com publicações em periódicos, principalmente baterias, imagens e blindagem eletromagnética. Isso sugere que estas aplicações são consideradas com maior potencial comercial. O aumento na adoção de veículos elétricos e na demanda resultante por baterias de íons de lítio nos últimos anos corresponde ao número significativo de menções a nanotubos de carbono de parede simples em pedidos de patentes de baterias.

Outros campos experimentam uma atividade maior na pesquisa acadêmica. A fotônica e as células solares, por exemplo, são áreas ativas de pesquisa, e o armazenamento de hidrogênio é um campo de estudo pequeno, mas crescente. Isso ocorre porque a grande área superficial dos nanotubos permite-lhes adsorver eficientemente o gás hidrogênio, o que pode superar desafios de longa data no armazenamento do hidrogênio. A adição de nanopartículas à superfície dos nanotubos pode gerar mais reações com o hidrogênio e aumentar ainda mais a capacidade dos nanotubos de absorvê-lo.

Aplicações biomédicas, como drug delivery, embora muito diferentes de outros casos de uso de nanotubos de carbono de parede simples, também são importantes para os pesquisadores, visto que estas moléculas podem desempenhar uma função importante na medicina personalizada. Eletrodos implantáveis, têm a capacidade de aproveitar a condutividade aprimorada dos nanotubos, são outra inovação potencial no campo biomédico, à medida que dispositivos de neurotecnologia vestíveis e implantáveis estão se tornando uma realidade.

Essas aplicações estão no ponto de pesquisas e demonstrações adicionais de segurança, eficácia e consistência, mas mostram que os nanotubos de carbono de parede simples oferecem uma imensa variedade de possibilidades científicas.

Imenso potencial para as nanotecnologias

Nos últimos 30 anos, os nanotubos de carbono de parede simples passaram de objeto de estudos iniciais de laboratório para inovações comercializadas em inúmeros setores. Agora eles estão na posição de elementos críticos para a transição energética, evolução dos veículos elétricos e até mesmo para a medicina personalizada.

Os nanotubos, junto com outros nanomateriais emergentes, vão continuar a remodelar o futuro. Desde alternativas sustentáveis de biomateriais e novas aplicações como a impressão 3D nos campos da biomedicina, este ritmo rápido de inovação continuará a acelerar nos próximos anos.