Nanotubos de Carbono: Materiais Ultra-Resistentes e Ultra-Leves Pioneiros

O que é 100 vezes mais forte que o aço, mas mais leve que o alumínio? Os nanotubos de carbono estão entre os materiais mais fortes já descobertos, mas os engenheiros estão apenas a começar a desbloquear o seu pleno potencial.

Os nanotubos de carbono são um alótropo de carbono, o que significa que são uma das várias disposições possíveis de átomos que o carbono pode assumir. Na natureza, o carbono puro encontra-se na forma de grafite, um sólido macio e escamoso, ou diamante, que é transparente e o material natural mais duro.

Os nanotubos de carbono estão mais relacionados com o grafite do que com o diamante. Embora o grafite seja muito macio, é construído a partir de camadas de átomos de carbono dispostas em folhas com um átomo de espessura. Estas folhas individuais chamam-se grafeno, e os nanotubos de carbono são o que se obtém ao enrolar uma folha de grafeno na forma de um tubo.

O grafeno é um material notável por si só. Tal como os nanotubos de carbono, é incrivelmente forte. O Prémio Nobel da Física de 2010 foi atribuído à equipa que primeiro isolou uma folha de grafeno, e o grafeno é tão forte que, em teoria, uma folha de grafeno pesando cerca de um miligrama poderia suportar um gato.

Este "rede de gato" hipotético teria apenas um átomo de espessura e seria completamente invisível ao olho humano. Os nanotubos de carbono são formados a partir de uma ou mais camadas de grafeno dispostas num tubo e são também extremamente fortes.

Atualmente, os nanotubos de carbono são principalmente utilizados para melhorar as propriedades de compósitos poliméricos. Os nanotubos de carbono podem oferecer uma gama de propriedades benéficas:

• Resistência muito alta
• Relação resistência-peso elevada
• Condutividade elétrica elevada
• Condutividade térmica elevada

Propriedades dos nanotubos de carbono

Quando comparados a outros materiais de reforço, os nanotubos de carbono são consideravelmente mais fortes que outras fibras usadas em compósitos poliméricos reforçados com fibra. Investigações recentes também se focaram no desenvolvimento de polímeros funcionalmente graduados, onde os nanotubos de carbono são distribuídos estrategicamente dentro de uma estrutura polimérica para lhe conferir propriedades mecânicas personalizadas.

Material	Resistência (fontes de dados nos links)
Nanotubos de carbono de paredes múltiplas	11 - 63 GPa
Fibra de carbono	3,5 - 5,5 GPa
Fibra de vidro	3,5 - 4,6 GPa
Kevlar	3,0 GPa
Aço	0,23 - 0,73 GPa

Os nanotubos de carbono também oferecem boa condutividade elétrica e térmica, o que os torna úteis em aplicações de embalagem eletrónica ou como aditivos a polímeros e adesivos para os tornar condutivos. Tradicionalmente, os metais têm sido o material principal usado como condutores elétricos e térmicos em eletrónica, porque polímeros e cerâmicas ofereciam condutividade elétrica e térmica fraca em comparação.

No entanto, ao adicionar nanotubos de carbono, vários polímeros podem ser tornados condutivos, o que abre novas possibilidades para fabrico de eletrónica mais rápido e menos dispendioso.

Material	Condutividade Elétrica (fontes de dados nos links)	Condutividade Térmica (fontes de dados nos links)
Nanotubos de carbono de parede única	102 - 106 S/cm	6000 W/mK
Nanotubos de carbono de paredes múltiplas	103 - 105 S/cm	2000 W/mK
Diamante	10-2 - 10-15 S/cm	900 - 2320 W/mK
Grafite	3,3 - 4000 S/cm	2,2-298 W/mK
Cobre	4,3•109- 5,9•109 S/cm	305 - 385 W/mK

Compósitos reforçados com nanotubos de carbono

Se o grafeno e os nanotubos de carbono são incrivelmente fortes, por que não os usamos em tudo? Uma peça com resistência comparável à do grafeno ou dos nanotubos de carbono seria praticamente indestrutível em comparação com qualquer outro material.

Para entender o desafio de aproveitar a incrível resistência dos nanotubos de carbono e do grafeno, podemos olhar para a razão pela qual o grafite é macio. Folhas individuais de grafeno são extremamente fortes, mas o grafite é macio porque as ligações entre as folhas de grafeno são fracas.

Os nanotubos de carbono individuais são um dos materiais mais fortes já descobertos, mas devem ser ligados entre si para que a sua resistência seja útil.

É por isso que os nanotubos de carbono são frequentemente usados como aditivo noutros materiais, geralmente polímeros, para melhorar as suas propriedades. Os nanotubos de carbono adicionam resistência e o material "matriz" em que são dispersos mantém tudo unido. Mas isso deixa-nos com a questão: Por que é que esses minúsculos nanotubos de carbono são muito mais fortes que materiais a granel? Eles são fortes porque são pequenos.

Nanomateriais ultra-resistentes

A chave para a resistência dos nanotubos de carbono reside no facto de eles ficarem próximos da resistência teórica do carbono devido ao seu tamanho reduzido. A resistência teórica de um material é a tensão necessária para quebrar um cristal perfeito livre de defeitos.

Por exemplo, a resistência teórica do ferro puro é 31,8 GPa, enquanto aços a granel têm resistências na gama 270-740 MPa, menos de 2,5% da resistência teórica. Isto deve-se a pequenos defeitos conhecidos como discinaturas que tornam os aços a granel suscetíveis a deformação plástica e falha a tensões mais baixas comparadas a um cristal hipotético sem defeitos.

Materiais a granel nunca se aproximam das suas resistências teóricas porque, mesmo com processamento extremamente cuidadoso, materiais de maior escala inevitavelmente acabam com defeitos microestruturais que reduzem a sua resistência. Esta é também a razão pela qual, infelizmente, os humanos provavelmente nunca conseguirão fabricar uma folha grande e perfeita de grafeno como a rede de gato de grafeno com um átomo de espessura descrita na cerimónia do Prémio Nobel de 2010.

Uma folha tão grande conteria certamente defeitos que reduziriam a sua resistência, e o gato rasgaria a rede. Assim, o processamento da maioria dos materiais a granel foca-se em limitar o efeito dos seus defeitos microestruturais em vez de os eliminar totalmente. Criar grandes quantidades de material completamente livre de defeitos é praticamente impossível com a tecnologia atual.

Sintetizar um material livre de defeitos é muito mais viável se o volume do material for muito, muito pequeno. Simplificando, uma quantidade muito pequena de material é estatisticamente menos propensa a conter um defeito do que uma grande, e pequenos volumes de material são mais fáceis de criar por processos de crescimento químico que introduzem poucos defeitos.

Assim, é possível criar grandes quantidades de nanotubos livres de defeitos, mas não é possível criar uma peça monolítica grande de material livre de defeitos. Os nanotubos de carbono são ultra-resistentes porque são ultra-pequenos, o que torna possível que sejam livres de defeitos.

Também vale a pena ter em mente que a resistência dos materiais é medida dividindo a força necessária para quebrar uma amostra pela sua área de secção transversal, resultando em unidades como o megapascal (MPa) que equivale a um newton por milímetro quadrado (N/mm²). Assim, as medições de resistência compensam automaticamente a quantidade de material numa amostra, e consequentemente, podemos comparar a resistência de uma haste de aço de 1 cm de diâmetro com a de um nanotubo de carbono de 1 µm de diâmetro.

O minúsculo nanotubo é muito mais propenso a ser completamente livre de defeitos, e portanto extremamente forte. Mas para agrupar nanotubos suficientes para criar uma peça de tamanho igual à haste de aço, teríamos de criar um compósito reforçado com fibra.

O seu tamanho reduzido, e a resultante falta de defeitos são o que tornam os nanotubos de carbono um nanomaterial ultra-resistente, com nanotubos de carbono de paredes múltiplas individuais tendo resistências reportadas de 11 - 63 GPa, que é próximo da resistência teórica do carbono de 156,0 GPa. Outros materiais também podem ser transformados em "bigodes" ultra-pequenos, livres de defeitos, incluindo o ferro, que tem uma resistência reportada de 13 GPa na forma de nano-bigodes, um valor muito mais próximo da resistência teórica do ferro do que os aços a granel.

Muitos outros materiais foram sintetizados na forma de nanotubos, nanofios, ou bigodes sob condições de laboratório, mas os nanotubos de carbono são um dos poucos nanomateriais ultra-resistentes disponíveis em quantidades comerciais de fornecedores como a Goodfellow.

Conclusões

Os nanotubos de carbono são um dos materiais mais fortes já descobertos porque o seu tamanho extremamente reduzido torna possível que sejam livres de defeitos e se aproximem de alcançar a resistência teórica do carbono. É por isso que os nanotubos de carbono são mais comumente usados para melhorar as propriedades de outros materiais, como quando são adicionados a matrizes poliméricas para melhorar a sua resistência, condutividade elétrica e condutividade térmica.

A resistência dos nanotubos de carbono é ordens de magnitude superior a outras fibras comumente usadas em compósitos reforçados com fibra. A boa condutividade elétrica e térmica dos nanotubos de carbono também torna possível criar polímeros condutivos para aplicações eletrónicas onde os metais são tradicionalmente usados.