Os nanotubos de carbono (CNT) podem ser vistos como folhas de grafite (superfície planar de átomos de carbono sp2 que formam uma rede hexagonal) enroladas na forma de cilindros, onde as paredes do tubo são constituídas por hexágonos de carbono [1].
Figura 2.1: Estrutura de um nanotubo de parede simples [2].
Os nanotubos de carbono possuem diâmetros inferiores a 1nm ou até centenas de nanómetros e comprimentos que podem atingir alguns micrómetros (μm). Em contraste as fibras de carbono têm tipicamente diâmetro entre 7-20 μm. Há que realçar que as fibras de carbono não têm a mesma perfeição estrutural que pode ser observada nos nanotubos de carbono [3], [4].
Existem 2 tipos de nanotubos: os nanotubos de parede simples (SWCNT) e os nanotubos de parede múltipla (MWCNT) [1]. Os SWCNT (figura 2.2.B) são constituídos por uma camada simples de um cilindro de grafite (grafeno), têm um diâmetro compreendido entre 0.4-2 nm e podem apresentar um comprimento de algumas
centenas de nanómetros (nm) bem como alguns micrómetros (μm). [4], [5]. Os MWCNT
(figura 2.2.C) são constituídos por duas ou mais camadas simples de cilindros de grafite [6]. O diâmetro dos MWCNT depende do número de folhas concêntricas com espaçamentos entre elas entre 0.34-0.39 nm [7].
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Figura 2.2: Representação esquemática: A) camada de grafite que origina um CNT; B) SWCNT; C) MWCNT [8].
Dependendo da forma como a folha de grafeno é enrolada, os SWCNT podem apresentar propriedades mecânicas e elétricas diferentes. Estes podem ser classificados como quirais ou aquirais. Os aquirais são simétricos e podem ser de dois tipos,
armchair ou zigzag. Os quirais são assimétricos e designam-se chiral. Todos os
SWCNT condutores possuem uma estrutura do tipo armchair e os semicondutores apresentam uma estrutura do tipo chiral ou zigzag. [4]
Figura 2.3: Estrutura armchair, chiral e zigzag [9].
2.1.1 Propriedades dos CNT
Devido à sua estrutura simétrica, os nanotubos de carbono apresentam excelentes propriedades elétricas, mecânicas e térmicas. Quando combinados com polímeros os CNT promovem nestes boas propriedades mecânicas, físicas e elétricas e uma extraordinária flexibilidade. Mas a principal característica dos CNT é a baixa densidade, a elevada resistência e rigidez que os tornam num bom material para ser usado como reforço em materiais poliméricos [10]. As propriedades dos nanotubos dependem de alguns fatores tais como o diâmetro, comprimento dos tubos, da sua nano
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estrutura e da morfologia e arranjo atómico (modo como as folhas de grafite são enroladas).
2.1.1.1- Propriedades elétricas dos CNT
Os CNT são bons condutores elétricos porque possuem um eletrão livres deslocalizados que se podem mover por toda a rede do nanotubo, conduzindo corrente elétrica ao longo da superfície [11]. As propriedades elétricas dos CNT dependem do diâmetro e quiralidade do nanotubo e o movimento dos eletrões nos CNT está confinado ao longo do eixo do tubo [12]. As propriedades elétricas dos nanotubos de camada simples e dos nanotubos de parede múltipla são muito parecidas porque o acoplamento entre cilindros de carbonos concêntricos é muito fraco [13]. Por tratarem-se de estruturas quase unidimensionais, o transporte eletrónico neste dois tipos de nanotubos ocorre sem espalhamento, possibilitando a condução de correntes através de grandes extensões dos nanotubos, sem aquecimento [14]. Teoricamente, os SWCNT metálicos têm uma condutividade elétrica de 102-106 S/m e podem transportar uma densidade de corrente elétrica igual a 109 A/cm2 [15] que é mais do que 1000 vezes maior do que o metal. Os MWCNT possuem condutividades que variam entre 103-105 S/m [16].
2.1.1.2- Propriedades térmicas dos CNT
As propriedades térmicas dos nanotubos de carbono são de fundamental interesse no controle, desempenho e estabilidade do nanotubo [17]. Devido à condutividade térmica da grafite (no plano) ser extremamente alta, a condutividade térmica dos nanotubos de carbono, ao longo do eixo do tubo, quando comparada com outros materiais constituídos à base de carbono, pode ser uma das mais elevadas [5]. Os SWCNT têm uma condutividade igual a 3500 W/(m·K) [11] e os MWCNT igual a 3000 W/(m·K) [15] e a estabilidade térmica dos nanotubos vai até 2800 °C em vácuo, e 750 °C, em atmosfera de ar [17].
12 2.1.1.3- Propriedades mecânicas dos CNT
A energia das ligações sp2 C-C está na origem das propriedades mecânicas dos CNT. O módulo de elasticidade dos nanotubos é de cerca de 1000 GPa, ou seja 5x superior ao do aço. A tensão de rutura dos nanotubos é de cerca de 63 GPa ou seja, 50x superior ao do aço. A densidade dos nanotubos é baixa relativamente aos metais em geral [5]. Com recurso à observação por microscopia eletrónica de transmissão (TEM) verificou-se que os nanotubos de carbono de parede simples e múltipla não quebram ao serem curvados.
Figura 2.4: Simulação computacional da deformação transversal de um CNT por microscopia eletrónica de transmissão [1].
Os nanotubos de carbono possuem propriedades mecânicas notáveis tais como: alto módulo elástico, uma grande deformação elástica e capacidade para acomodar grandes deformações sem destruição da sua estrutura [1]. Na tabela 2.1 encontram-se as propriedades mecânicas dos nanotubos em comparação com metais convencionais:
Tabela 2.1: Propriedades mecânicas dos nanotubos e metais [5].
Tensão (GPa) Módulo de elasticidade (GPa) Deformação (%) Densidade SWCNT 13-52 320-1470 ~5.3 ~1 MWCNT 11-63 270-950 ~12 2.16 Aço 0.4 200 - 7.86 Alumínio 0.11 70 - 2.71
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2.1.2 Aplicações dos CNT
No âmbito da eletrónica e eletricidade os CNT podem ser até 1000 vezes mais eficientes na condução de eletricidade do que os fios de cobre utilizados atualmente. A utilização de CNT na indústria eletrónica promove a diminuição do tamanho dos equipamentos utilizados e já não é necessário recorrer a minerais pois a grafite pode ser produzida em laboratório a partir de outros materiais [18]. Podem ser utilizados na transmissão de energia elétrica das centrais até as cidades e casas através de cabos finos, leves e extremamente eficientes. Devido ao facto dos CNT serem excelentes condutores elétricos possibilitam a diminuição da perda de energia que ocorre frequentemente nas linhas de alta tensão. Uma das invenções mais recentes neste campo é o aerossol feito de CNT. Este material é semitransparente e possui baixa densidade, excelentes propriedades de isolamento térmico e resistência. Na sua fabricação o componente líquido é substituído por um gás que é capaz conduzir energia [19].
Na indústria têxtil os CNT podem substituir outras fibras na composição de tecidos de alta resistência. Alguns cientistas demonstraram que fibras de CNT seriam mais eficientes do que o kevlar, material utilizado na fabricação de coletes à prova de balas [18]. Na construção civil os CNT podem ser utilizados na construção civil, substituindo cabos de aço. Testes de laboratório indicam que a resistência à quebra de um CNT é quase duzentas vezes maior do que a de um cabo de aço [18].
Os CNT podem ser usados como reforço em materiais aeroespaciais e na fuselagem de aviões. Esta tecnologia poderá fazer com que as asas dos aviões e outros tipos de materiais de uso industrial se tornem 10 vezes mais fortes e mais leves [19]. No âmbito das aplicações biomédicas os CNT permitem estudar processos que ocorrem no interior de células e a libertação controlada de fármacos. Também podem ser utilizados no melhoramento da eficácia das vacinas [20].