Como os nanotubos de carbono estão redefinindo a resistência dos materiais

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 começando a liberar todo o seu potencial.

Os nanotubos de carbono são um alótropo do carbono , o que significa que eles são um dos vários arranjos possíveis de átomos que o carbono pode tomar . Na natureza, carbono puro é encontrado 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 intimamente relacionados ao grafite do que ao diamante. Embora o grafite seja muito macio, é construído de camadas de átomos de carbono dispostos em folhas de um átomo de espessura. Essas folhas individuais são chamadas de grafeno, e nanotubos de carbono são o que você obteria ao enrolar uma folha de grafeno na forma de um tubo .



O grafeno é um material notável por si só. Como os nanotubos de carbono, é incrivelmente forte . O Prêmio Nobel de Física de 2010 foi concedido à equipe 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 segurar um gato .

Esta hipotética “rede de gato” teria apenas um átomo de espessura e completamente invisível ao olho humano . Os nanotubos de carbono são formados a partir de uma ou mais camadas de grafeno dispostas em um tubo e também são extremamente fortes .


De acordo com o documento da Academia Nobel, se uma rede de um metro quadrado feita de grafeno fosse “amarrada entre duas árvores, você poderia colocar um peso de aproximadamente 4 quilos antes que ela se quebrasse. Assim, deveria ser possível fazer uma rede quase invisível de grafeno que pudesse segurar um gato sem quebrar.

Atualmente, os nanotubos de carbono são usados ​​principalmente para melhorar as propriedades dos compósitos poliméricos . Os nanotubos de carbono podem oferecer uma variedade de propriedades benéficas:

• Resistência muito alta
• Alta relação resistência/peso
• Alta condutividade elétrica
• Alta condutividade térmica

Propriedades dos nanotubos de carbono

Quando comparados a outros materiais de reforço, os nanotubos de carbono são consideravelmente mais fortes do que outras fibras usado em compósitos poliméricos reforçados com fibra. Pesquisas recentes também se concentraram no desenvolvimento de polímeros com classificação funcional, onde os nanotubos de carbono são distribuídos estrategicamente dentro de uma estrutura de polímero para conceder propriedades mecânicas personalizadas.

Material	Força (fontes de dados em 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 embalagens eletrônicas ou como aditivos para polímeros e adesivos para torná-los condutores. Tradicionalmente, os metais têm sido o material primário usado como condutores elétricos e térmicos em eletrônica porque polímeros e cerâmicas oferecem baixa condutividade elétrica e térmica em comparação.

No entanto, adicionando nanotubos de carbono, vários polímeros podem se tornar condutores , que abre novas possibilidades para uma fabricação de eletrônicos mais barata .

Material	Condutividade elétrica (fontes de dados em links)	Condutividade térmica (fontes de dados em links)
Nanotubos de carbono de parede única	10 2 - 10 6 S/cm	6000 W/mK
Nanotubos de carbono de paredes múltiplas	10 3 - 10 5 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•10 9 - 5.9•10 9 S/cm	305 - 385 W/mK

Compósitos reforçados com nanotubos de carbono

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

Para entender o desafio de aproveitar a incrível força dos nanotubos de carbono e do grafeno, podemos analisar o motivo pelo 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 eles devem ser conectados entre si para que sua força seja útil .


Os nanotubos de carbono são o que você obteria ao enrolar uma folha de grafeno na forma de um tubo.

É por isso que os nanotubos de carbono são frequentemente usados ​​como aditivos em outros materiais , geralmente polímeros, para melhorar suas propriedades. Os nanotubos de carbono adicionam força e o material “matriz” em que estão dispersos mantém tudo junto. Mas isso nos deixa com a pergunta:Por que esses minúsculos nanotubos de carbono são muito mais fortes do que materiais a granel? Eles são fortes porque são pequenos.

Nanomateriais ultrarresistentes

A chave para a força dos nanotubos de carbono está no fato de que eles chegam perto de atingir a força teórica do carbono devido ao seu pequeno tamanho . A resistência teórica de um material é a tensão que seria necessária para quebrar um cristal perfeito livre de quaisquer defeitos.

Por exemplo, a resistência teórica do ferro puro é de 31,8 GPa, enquanto os aços a granel têm resistências na faixa de 270-740 MPa, menos de 2,5% da resistência teórica. Isso ocorre porque pequenos defeitos conhecidos como deslocamentos tornam os aços a granel suscetíveis à deformação plástica e falha em tensões mais baixas em comparação com um cristal hipotético livre de defeitos .


Imagem SEM de nanotubos de carbono alinhados. © Fraunhofer IKTS

Os materiais em massa nunca chegam perto de seus pontos fortes teóricos porque, mesmo com um processamento extremamente cuidadoso, materiais de grande escala inevitavelmente acabam com defeitos microestruturais que reduzem sua força. Esta também é a razão pela qual, infelizmente, é improvável que os humanos fabriquem uma folha grande e perfeita de grafeno como a rede de grafeno de um átomo de grafeno descrita na cerimônia de entrega do Prêmio Nobel de 2010.

Uma folha tão grande com certeza conteria defeitos isso reduziria sua força, e o gato rasgaria a rede. Assim, o processamento da maioria dos materiais a granel tem como foco limitar o efeito de seus defeitos microestruturais, em vez de eliminar totalmente os defeitos . Criar grandes quantidades de material completamente livre de defeitos é praticamente impossível com a tecnologia atual.


Uma imagem de microscópio eletrônico de nanotubos de TiO2 cultivados eletroquimicamente. 10.000 vezes menores que a largura de um fio de cabelo humano, os tubos são preenchidos com polímero orgânico em uma nova técnica para “cultivar” células solares com potencial de serem mais baratas que as células solares atuais.

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 tem estatisticamente menos probabilidade de conter um defeito do que um 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 sem defeitos , mas não é possível criar uma grande peça monolítica de material livre de defeitos. Os nanotubos de carbono são ultrarresistentes porque são ultrapequenos o que torna possível que eles sejam livres de defeitos.


Nanotubos de carbono sendo girados para formar um fio.

Também vale a pena ter em mente que a resistência dos materiais é medida dividindo-se a força necessária para quebrar uma amostra pela área da seção transversal dessa amostra , resultando em unidades como o megapascal (MPa) que equivale a um newton por milímetro quadrado (N/mm2). Assim, as medidas de resistência compensam automaticamente a quantidade de material em um corpo de prova 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.

É muito mais provável que o minúsculo nanotubo seja completamente livre de defeitos , e, portanto, extremamente forte. Mas para agrupar nanotubos suficientes para criar uma peça de tamanho igual ao da haste de aço, teríamos que criar um compósito reforçado com fibra .

Seu tamanho pequeno e a falta de defeitos resultante são o que torna os nanotubos de carbono um nanomaterial ultra-forte , com nanotubos de carbono de parede múltipla individuais com resistências relatadas de 11 a 63 GPa, o que está próximo da resistência teórica do carbono de 156,0 GPa. Outros materiais também podem ser transformados em ultrapequenos , “bigodes” sem defeitos, incluindo o ferro, que tem uma resistência relatada 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 em nanotubos , nanofios ou bigodes se formam em condições de laboratório, mas os nanotubos de carbono são um dos poucos nanomateriais ultra-fortes disponíveis em quantidades comerciais de fornecedores como Goodfellow.

Conclusões

Os nanotubos de carbono são um dos materiais mais fortes já descobertos porque seu tamanho extremamente pequeno permite que sejam livres de defeitos e chegar perto de alcançar a força 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 sua resistência, condutividade elétrica e condutividade térmica.

A resistência dos nanotubos de carbono é muito maior do que outras fibras comumente usadas em compósitos reforçados com fibra. Boa condutividade elétrica e térmica dos nanotubos de carbono também possibilita a criação de polímeros condutores para aplicações eletrônicas onde os metais são tradicionalmente usados.