Nanotubo de carbono

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Nanomateriais
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Nanotubos de carbono
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Representação esquemática de um nanotubo de carbono

Os nanotubos de carbono ou NTC (em inglês: Carbon nanotubes ou CNTs) são alótropos do carbono com uma nanoestrutura cilíndrica. Os nanotubos foram construídos com diâmetro de comprimento na proporção de 132.000.000:1,[1] significativamente maior do que para qualquer material. Estes cilíndros de moléculas de carbono possuem propriedades incomuns e que são de altíssimo valor no campo da nanotecnologia, eletrônica, óptica e outros campos tecnológicos da ciência dos materiais . Particularmente, devido as suas extraordinárias propriedades de condução térmica, mecânica e elétrica, os nanotubos de carbono podem ter aplicações que possibilitem inúmeras melhorias nas estruturas dos materiais.

Nanotubos são membros da família estrutural do fulereno, que também inclui o esférico buckminsterfulereno, e as extremidades dos nanotubos podem ser cobertas com um hemisfério de estruturas de buckminsterfulereno. Seu nome deriva do seu formato, uma estrutura oca com paredes formadas por um átomo de espessura da folha de carbono, chamados grafeno. Estas folhas são enroladas em momentos especificos com ângulos discretos quiral, e a combinação do ângulo de rolamento e raio decide a propriedade do nanotubo; por exemplo, se a folha de nanotubos individual é um metal ou semicondutor. Nanotubos são categorizados como Nanotubos de parede única do inglês (Single-Walled Nanotubes) (SWNTs), que são os Nanotubos de Carbono e os nanotubos de múltiplas paredes, do inglês (Multi-Walled Nanotubes)(MWNTs)). Naturalmente, nanotubos individuais alinham-se em "fios", esse fenômeno explicado pelas Forças de Van der Waals.

A química quântica aplicada, especificamente, a hibridação do orbital descreve melhor a ligação química em nanotubos. A ligação química dos nanotubos é composta inteiramente de orbitais com hibridização sp2, semelhante as ligações do grafite, tendo assim um orbital p livre para serem feitas ligações π. Essas ligações que são mais fortes do que as ligações σ de hibridização sp3 que são encontradas em alcanos, provendo aos nanotubos uma resistência mecânica única.

Tipos de nanotubos de carbono e estruturas relacionadas[editar | editar código-fonte]

Terminologia[editar | editar código-fonte]

Não há consenso sobre alguns termos que descrevem os nanotubos de carbono na literatura científica: tanto o "-wall" como o "-walled" estão sendo utilizados em combinação com "single", "double", "triple" ou mesmo "multi", e a letra C é muitas vezes omitida na sigla; por exemplo, os nanotubos de parede múltiplas, do inglês (multi-walled (MWNT)).

Single-walled[editar | editar código-fonte]

  • Armchair (n,n)

  • O vetor de translação é dobrado, enquanto o vetor quiral fica em linha reta

  • Nanofita de Grafeno

  • O vertor quiral está dobrado, enquanto a translação do vetor fica em linha reta

  • Zigzag (n,0)

  • Quirais (n,m)

  • n e m pode ser contado no final do tubo

  • Nanofita de carbono

O esquema de nomeação de nanotubos (n,m) pode ser pensado como um vetor (Ch) em uma folha de grafeno infinita que descreve como o "roll up" da folha de grafeno pode fazer com o nanotubo. T indica o eixo do tubo, e a 1 e a2 são vetores unitários do grafeno no espaço.
Uma imagem de microscopia de tunelamento da parede do nanotubo de carbono
Uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão de uma única parede do nanotubo de carbono

A maioria das parede dos nanotubos são unicas (SWNT) e tem um diâmetro medindo cerca de 1 nanometro, com o comprimento do tubo que pode ser muitas milhões de vezes maior. A estrutura de um SWNT pode ser conceituada envolvendo uma camada de átomos de espessura do grafite chamada de grafeno em um cilindro de transporte. A forma como a folha de grafeno fica envolvida é representada por um par de índice (n, m). Os inteiros n e m denotam o número de unidades vetor ao longo de duas direções no favo de mel cristal lattice de grafeno. Se m = 0, os nanotubos são chamados de nanotubos zigzag, e se n = m, os nanotubos são chamados de nanotubos de encosto/apoio. Caso contrário, eles são chamados de quirais. O diâmetro de um nanotubo ideal pode ser calculado a partir de seu índice (n, m)

onde a = 0.246 nm.

SWNT é uma importante variedade de nanotubos de carbono porque a maioria das suas propriedades mudam significativamente com os valores (n, m), e essa dependência não é sempre igual (veja Kataura plot). Em particular, a sua band gap pode variar de zero a cerca de 2 eV e sua condutividade elétrica pode apresentar um comportamento metálico ou de um semicondutor. Os nanotubos de parede única é o candidato mais provável para a miniaturização de equipamentos eletrônicos. O bloco de construção mais simples deste sistema é o fio elétrico, e o nanotubos de carbono (SWNT) são excelentes condutores. [2][3] One useful application of SWNTs is in the development of the first intramolecular field effect transistors (FET). Production of the first intramolecular logic gate using SWNT FETs has recently become possible as well.[4] Para criar uma porta lógica você deve ter tanto um p-FET e um n-FET. Isso se deve ao fato de que os nanotubos de carbono (SWNT) são p-FETs quando expostos ao oxigênio e o n-FET de outra forma, isso possibilita a proteção da metade dos nanotubos de carbono da exposição ao oxigênio, enquanto a outra parte fica exposta ao oxigênio. Isso resulta em uma SWNT única que funciona como uma porta lógica NOT em ambos p e n-type FETs dentro de uma mesma molécula.

Nanotubos de parede única estão gradativamente se tornado baratos, cerca de $1.500 dólares americanos por grama no ano de 2000, para $50 dólares por grama pela forma como estão sendo produzidos, em grande escala, como visto em Março de 2010.[5][6]

Nanotubos de múltiplas paredes[editar | editar código-fonte]

Imagem de feixe com microscopia eletrônica de varredura de nanotubos de carbono
Parede tripla (Triple-walled) de nanotubos de carbono armchair carbon nanotube

Nanotubos de paredes múltiplas (MWNT) consistem de múltiplas camadas (tubos concêntricos) de grafite. Há dois modelos que podem ser utilizados para descrever a estrutura de nanotubos de paredes múltiplas. No modelo Russian Doll, as folhas de grafite são dispostas em cilindros concêntricos, por exempolo, um (0,8) nanotubo de parede única com uma largura de única de (0,17). No modelo Parchment, uma folha de grafite é enrolada em torno de si mesma, assemelhando-se a um rolo de jornal enrolado. A distância entre camadas em nanotubos de paredes múltiplas está perto da distância entre camadas de grafeno em grafite, aproximadamente 3.4 Å. A estrutura Russian Doll é geralmente observada. Suas folhas individuais podem ser descritas como nanotubos de carbono (SWNTs), podendo ser metálicos ou semicondutores. Por causa da probabilidade e restrição sobre a relatividade do diâmetro dos tubos individuais, uma das folhas, e depois todas as paredes do nanotubo, geralmente é utilizado um metal zero-gap.

Paredes duplas de nanotubos de carbono (DWNT) formam uma classe especial de nanotubos por sua morfologia e propriedades são semelhantes com as SWNT, mas sua resistência aos produtos químicos é significativamente melhorada. Isso é especialmente importante quando as funcionalidades da superfície são necessárias (isto significa acoplar funções químicas na superfície de nanotubos) adicionando novas propriedades ao CNT. Neste caso dos SWNT, funcionalidades covalentes quebraram alguns C = C (ligações duplas), deixando "buracos" na estrutura do nanotubo e assim, modifica tanto suas propriedades mecânicas como as elétricas. No caso dos DWNT, somente a parede externa é modificada. Síntese de DWNT em escala de grama foi primeiramente exposto em 2003 [7] pela técnica de CCVD, a partir da redução seletiva de solução óxida em metano e hidrogênio.

A capacidade de movimento telescópico no interior da folha [8] e suas propriedades mecânicas

[9] permit to use multi-walled nanotubes as main movable arms in coming nanomechanical devices. Retraction force that occurs to telescopic motion caused by the Lennard-Johnes interaction between shells and it's value is about 1.5 nN.[10]

Torus[editar | editar código-fonte]

A estabilidade das estruturas de nanotubos de Carbono

Em tese, um nanotorus é um nanotubos de carbono rosqueado (forma de rosca). Nanotori estão previstas para serem muitas propriedades únicas, como momento magnético mil vezes maior do que previamente previsto por certos raios especificos. [11] Properties such as magnetic moment, thermal stability, etc. vary widely depending on radius of the torus and radius of the tube.[11] [12]

Nanobud[editar | editar código-fonte]

Nanobud de carbono é um material recém-criado oriundo da combinação de dois alótropos de carbono: nanotubo de carbono e fulerenos. Neste novo material, semelhantes ao fulereno "gomos" são paredes laterais que fazem ligações covalentes com os nanotubos subjacentes. Este novo material hibrido tem propriedades de ambos os materiais que o constituem, nanotubos de carbono e fulereno. Particularmente, eles são utilizados como excelentes emissores de campo. Em materiais composites, as moléculas de fulereno podem funcionar como âncoras prevendo o escorregamento dos nanotubos, como também, melhorando as propriedades mecânicas dos compósitos.

Nanotubos de carbono Cup-stacked[editar | editar código-fonte]

Nanotubos de carbono Cup-stacked, do inglês, (Cup-stacked carbon nanotubes (CSCNTs)) diferem de outras estruturas de carbono quasi-1D, que normalmente se comportam como estruturas quase metálicas, sendo uma condutora de elétrons. CSCNT exibem comportamentos de semicondutores devido a sua microestrutura de empilhamento de camadas de grafeno. [13]

Nanotubos de carbono extremos[editar | editar código-fonte]

Cycloparaphenylene

A observação do maior nanotubo de carbono (18.5cm de comprimento) foi relatado em 2009. Esses nanotubos foram cultivados em substratos de Si utilizando um metodo melhorado de deposição de vapor químico, do inglês, (Chemical Vapor Deposition (CVD)) e representam paredes únicas de matrizes elétricas uniformes com nanotubos de carbonos. [1] The shortest carbon nanotube is the organic compound cycloparaphenylene, which was synthesized in early 2009.[14][15][16]

O mais fino nanotubo de carbono é o CNT apoiado (2,2) com um diâmetro de 3Å. Este nanotubo foi cultivado dentro de um nanotubo de carbono com paredes multiplas. A atribuição do tipo de nanotubo de carbono foi feita pela combinação de transmissão de alta resolução da microscopia eletrônica, do inglês, (High-resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM)), Espectroscopia Raman e com o cálculo densidade da teoria funcional, do inglês, (Density Functional Theory (DFT)). [17]

O nanotubo de carbono de simples parede mais fino e autônomo mede cerca de 4.3 Å de diâmetro. Pesquisadores sugeriram que ele pode também um SWCNT de (5,1) ou (4,2), mas o tipo exato do nanotubo de carbono continua a ser questionado. [18] Nanotubos de carbono com (3.3), (4.3) e (5.1) (todo com quatro Å de diâmetro) estavam sendo identificado de forma semelhante, esse erro foi corrigido com a microscopia eletrônica de transmissão e alta resolução. No entanto, eles foram encontrados dentro de carbonos de parede dupla.[19]

Referências

  1. ↑ a b Wang, X.; et al. (2009). «Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon Nanotubes on Clean Substrates». Nano Letters. 9 (9): 3137–3141. Bibcode:2009NanoL...9.3137W. PMID 19650638. doi:10.1021/nl901260b 
  2. ↑ Mintmire, J.W.; Dunlap, BI; White, CT (3 de fevereiro de 1992). «Are Fullerene Tubules Metallic?». Physical Review Letters. 68 (5): 631–634. Bibcode:1992PhRvL..68..631M. PMID 10045950. doi:10.1103/PhysRevLett.68.631 
  3. ↑ Dekker, Cees (1999). «Carbon nanotubes as molecular quantum wires» (PDF). Physics Today. 52 (5): 22–28. Bibcode:1999PhT....52e..22D. doi:10.1063/1.882658 
  4. ↑ Martel, R.; et al. (2001). «Ambipolar Electrical Transport in Semiconducting Single-Wall Carbon Nanotubes». Physical Review Letters. 87 (25): 256805. Bibcode:2001PhRvL..87y6805M. PMID 11736597. doi:10.1103/PhysRevLett.87.256805 
  5. ↑ «Carbon Solutions, Inc.» 
  6. ↑ «CarboLex» 
  7. ↑ Flahaut, E.; Bacsa, R; Peigney, A; Laurent, C (2003). «Gram-Scale CCVD Synthesis of Double-Walled Carbon Nanotubes». Chemical Communications. 12 (12): 1442–1443. PMID 12841282. doi:10.1039/b301514a 
  8. ↑ Cumings, John; Zettl, A. (2000). «Low-Friction Nanoscale Linear Bearing Realized from Multiwall Carbon Nanotubes». Science. 289 (5479): 602–604. Bibcode:2000Sci...289..602C. PMID 10915618. doi:10.1126/science.289.5479.602 
  9. ↑ Treacy, M.M.J.; Ebbesen, T.W.; Gibson, J.M. (1996). «Exceptionally high Young's modulus observed for individual carbon nanotubes». Nature. 381 (6584): 678–680. Bibcode:1996Natur.381..678T. doi:10.1038/381678a0 
  10. ↑ Zavalniuk, Vladimir; Marchenko, Sergey (2011). «Theoretical analysis of telescopic oscillations in multi-walled carbon nanotubes». Low Temp. Phys. 37 (4): 337 (6 pages). Bibcode:2011LTP....37..337Z. doi:10.1063/1.3592692 
  11. ↑ a b Liu, Lei; Guo, G. Y.; Jayanthi, C. S.; Wu, S. Y. (2002). «Colossal Paramagnetic Moments in Metallic Carbon Nanotori». Physical Review Letters. 88 (21): 217206. Bibcode:2002PhRvL..88u7206L. PMID 12059501. doi:10.1103/PhysRevLett.88.217206 
  12. ↑ Huhtala, Maria (2002). «Carbon nanotube structures: molecular dynamics simulation at realistic limit» (PDF). Computer Physics Communications. 146. 30 páginas. Bibcode:2002CoPhC.146...30H. doi:10.1016/S0010-4655(02)00432-0 
  13. ↑ Liu, Q., Qingfeng; Ren, Wencai; Chen, Zhi-Gang; Yin, Lichang; Li, Feng; Cong, Hongtao; Cheng, Hui-Ming; et al. (2009). «Semiconducting properties of cup-stacked carbon nanotubes» (PDF). Carbon. 47 (3): 731–736. doi:10.1016/j.carbon.2008.11.005 
  14. ↑ «A Better Way to Make Nanotubes». Berkeley Lab. 5 de janeiro de 2009 
  15. ↑ «Carbon Nanohoops: Shortest Segment of a Carbon Nanotube Synthesized» (PDF). Berkeley Lab. 
  16. ↑ «Synthetic organic chemistry». A centre of chemistry excellence. [S.l.]: Nature. 7 de outubro de 2009 
  17. ↑ Zhao, X.; Liu, Y.; Inoue, S.; Suzuki, T.; Jones, R. O.; Andol, Y. (2004). «Smallest Carbon Nanotube is 3 Å in Diameter». Physical Review Letters. 92 (12). 125502 páginas. Bibcode:2004PhRvL..92l5502Z. PMID 15089683. doi:10.1103/PhysRevLett.92.125502 
  18. ↑ Hayashi, Takuya; et al. (2003). «Smallest Freestanding Single-Walled Carbon Nanotube». Nano Letters. 3 (7): 887–889. Bibcode:2003NanoL...3..887H. doi:10.1021/nl034080r 
  19. ↑ Guan, Lunhui; Suenaga, Kazu; Iijima, Sumio (2008). «Smallest Carbon Nanotube Assigned with Atomic Resolution Accuracy». Nano Letters. 8 (2): 459–462. Bibcode:2008NanoL...8..459G. PMID 18186659. doi:10.1021/nl072396j 

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