Aplicações de Nanotubos de Carbono

• Sponsored by Cheap Tubes Inc.Apr 23 2018

  Existem numerosas propriedades e aplicações de nanotubos de carbono que tiram o máximo partido das propriedades únicas dos CNTs de relação de aspecto, resistência mecânica, condutividade eléctrica e térmica. Neste artigo, foi apresentada uma lista de propriedades e aplicações dos nanotubos de carbono.

  Propriedades e Aplicações dos Nanotubos de Carbono

  

  Propriedades dos Nanotubos de Carbono

  • CNTs têm elevada condutividade térmica
  • CNTs têm elevada condutividade eléctrica
  • CNTs têm elevada relação de aspecto
  • CNTs são muito elásticas ~18% alongamento até à falha
  • CNTs têm uma resistência à tracção muito elevada

  li>CNTs são altamente flexíveis – podem ser dobrados consideravelmente sem danos

li>CNTs têm um baixo coeficiente de expansão térmicali>CNTs são bons emissores de campo de electrões

Nanotubos de carbono Aplicações

• Emissão de campo de CNTs
• Condutividade térmica de CNTs
• Armazenamento de energia de CNTs
• Propriedades condutoras de CNTs
• CNTs adesivo condutor
• Materiais térmicos de CNTs
• Electrónica molecular baseada em CNTs
• Aplicações estruturais de CNTs
• CNTs fibras e tecidos
• CNTs aplicações biomédicas

li>CNTs Ar & Filtragem de água

• CNTs suportes catalisadores
• Outras aplicações CNT

CNTs Condutividade eléctrica

Há um interesse prático significativo na condutividade dos CNTs. CNTs com combinações particulares de M e N (parâmetros estruturais que indicam o quanto o nanotubo é torcido) podem ser altamente condutores, e portanto podem ser considerados como metálicos. A sua condutividade foi provada como sendo uma função do seu diâmetro, bem como da sua quiralidade (grau de torção). Os CNTs podem ser semi-condutores ou metálicos no seu comportamento eléctrico.

Condutividade em nanotubos de paredes múltiplas (MWNTs) é algo intrincada. A condutividade de alguns tipos de CNTs com estrutura de “poltrona” parece ser superior a outros CNTs metálicos. Além disso, verificou-se que as reacções entre paredes dentro dos MWNTs redistribuem de forma não uniforme a corrente por tubos individuais. Contudo, a corrente não se altera em diferentes partes de CNTs de parede única metálicos. No entanto, o comportamento das cordas das SWNT semi-condutoras não é semelhante, uma vez que a corrente de transporte muda imediatamente em diferentes posições nas CNTs.

Ao colocar eléctrodos em diferentes partes das CNTs, a resistividade e condutividade das cordas das SWNTs foram medidas. A resistividade das cordas SWNT foi da ordem de 10-4 ohm-cm a 27 °C. Isto mostra que as cordas SWNT são as fibras de carbono mais condutoras conhecidas. As cordas SWNT foram capazes de atingir uma densidade de corrente de 107 A/cm2; no entanto, teoricamente, deveriam ser capazes de manter densidades de corrente estáveis muito mais elevadas, até 1013 A/cm2.

Foi relatado que as SWNTs individuais podem ter defeitos. Inesperadamente, estes defeitos permitem que as SWNTs actuem como transístores. Da mesma forma, a combinação de CNTs pode resultar em dispositivos semelhantes a transístores. Um nanotubo com uma junção natural (onde uma secção metálica recta é unida a uma secção semicondutora quiral) actua como um díodo rectificador, ou um meio transístor numa única molécula. Além disso, foi recentemente relatado que as SWNTs podem dirigir sinais eléctricos a alta velocidade (até 10 GHz) quando usadas como interconexões em dispositivos semicondutores.

CNTs Strength and Elasticity

Os átomos de carbono do grafeno (uma única folha de grafite) formam uma malha alveolar plana, na qual cada átomo é ligado a três átomos vizinhos por uma forte ligação química. Estas fortes ligações tornam o módulo elástico baso-plano de grafite um dos maiores entre todos os materiais conhecidos. Portanto, espera-se que os CNTs sejam as fibras de alta resistência de última geração. Os CNTs são mais rígidos em comparação com o aço e são extremamente resistentes a danos causados por forças físicas. Quando a ponta de um nanotubo é pressionada, dobra-se sem causar qualquer dano à ponta, e na remoção da força, a ponta volta ao seu estado original. Devido a esta propriedade, os CNTs são muito úteis como pontas de sonda para microscopia de sondagem de muito alta resolução.

Tem sido bastante difícil quantificar estes efeitos, e não se chegou a acordo sobre um valor numérico exacto. Um microscópio de força atómica (AFM) pode ser utilizado para empurrar as extremidades não ancoradas de um nanotubo livre para fora da sua posição de equilíbrio e a força necessária para empurrar o nanotubo pode ser medida. O valor actual do módulo de Young da SWNT é de cerca de 1 TPa; no entanto, este valor tem sido incerto, e um valor tão elevado como 1,8 TPa tem sido relatado. Além disso, foram reportados outros valores consideravelmente superiores a este valor. As diferentes técnicas de medição experimental podem ser a razão das diferenças. Outras provaram teoricamente que o módulo do Young depende da quiralidade e tamanho das SWNT, variando entre 1,22 a 1,26 TPa. Eles calcularam um valor de 1,09 TPa para um nanotubo genérico. Contudo, ao trabalhar com diferentes MWNTs, outros notaram que as medições do módulo dos MWNTs utilizando técnicas de AFM não têm uma forte dependência do diâmetro. Em vez disso, argumentam que o módulo dos MWNTs e a quantidade de desordem nas paredes do nanotubo estão correlacionados. Como esperado, quando os MWNTs quebram, as camadas mais exteriores quebram-se primeiro.

CNTs Condutividade Térmica e Expansão

Nova investigação da Universidade da Pensilvânia significa que os CNTs podem ser o melhor material condutor de calor alguma vez conhecido pela humanidade. As SWNTs ultra-pequenas demonstraram exibir uma supercondutividade mesmo abaixo dos 20 K. A investigação sugere que estes fios exóticos, já anunciados pela sua força incomparável e capacidade única de adoptar as propriedades eléctricas quer de metais perfeitos quer de semicondutores, poderão em breve encontrar também aplicações como condutas de calor em miniatura numa série de materiais e dispositivos. Devido às fortes ligações em C-C no plano, elas são feitas notavelmente rígidas e fortes contra deformações axiais. A quase zero expansão térmica no plano, mas a grande expansão inter-plano da SWNT implica uma alta flexibilidade e um forte acoplamento no plano contra estirpes não axiais. Muitas aplicações de CNTs, tais como em dispositivos de detecção e actuação, electrónica molecular em nanoescala, ou como reforço de fibras aditivas em materiais compostos funcionais, foram também propostas.

Relatórios de muitas experiências recentes sobre a preparação e caracterização mecânica de compostos de CNT-polímero. Estas medições implicam melhorias modestas nas características de resistência das matrizes incorporadas de CNT em comparação com matrizes de polímeros nus. Experiências preliminares e estudos de simulação sobre as propriedades térmicas dos CNT mostram uma condutividade térmica muito elevada. Portanto, espera-se que os reforços de nanotubos em materiais poliméricos melhorem consideravelmente as propriedades térmicas e termo-mecânicas dos compósitos.

CNTs Emissões de Campo

Emissão de campo está associada à tunelização de electrões de uma ponta metálica em vácuo, sob aplicação de um forte campo eléctrico. A elevada relação de aspecto e o pequeno diâmetro dos CNTs são muito adequados para a emissão de campo. Um forte campo eléctrico é desenvolvido na extremidade livre dos CNTs suportados mesmo para tensões moderadas devido à sua agudeza. De Heer e colegas de trabalho observaram isto na EPFL em 1995. Ele também percebeu imediatamente que estes emissores de campo devem ser superiores às fontes tradicionais de electrões e podem encontrar o seu caminho em todo o tipo de aplicações, mais significativamente em ecrãs planos. É notável que a Samsung só conseguiu um ecrã a cores muito brilhante ao fim de cinco anos, que em breve será comercializado utilizando esta tecnologia.

Durante a sua investigação sobre as propriedades de emissão de campo dos MWNTs, Bonard e colegas de trabalho na EPFL observaram que a luz também é emitida juntamente com electrões. Esta luminescência é induzida pela emissão do campo de electrões porque não é detectada quando o potencial não é aplicado. Esta luz é emitida na parte visível do espectro e pode por vezes ser vista a olho nu.

CNTs High Aspect Ratio

CNTs representam um aditivo condutor muito pequeno e de alta relação aaspectiva para todos os tipos de plásticos. A sua elevada relação de aspecto significa que é necessária uma menor carga (concentração) de CNTs para realizar a mesma condutividade eléctrica quando comparada com outros aditivos condutores. Esta baixa carga não só preserva mais a tenacidade das resinas poliméricas, especialmente a baixas temperaturas, como também mantém outras propriedades principais de desempenho da resina matricial. Os CNTs foram estabelecidos como sendo um excelente aditivo para conferir condutividade eléctrica em plásticos. Graças à sua elevada relação de aspecto (cerca de 1000:1), a condutividade eléctrica pode ser conferida a cargas mais baixas, em comparação com materiais aditivos tradicionais, tais como fibra de carbono cortada, fibra de aço inoxidável, ou negro de fumo.

Aplicações de Nanotubos de Carbono

A natureza única do carbono combina com a perfeição molecular dos CNTs de parede única para lhes conferir propriedades extraordinárias no material, tais como condutividade térmica e eléctrica muito elevada, rigidez, resistência, e tenacidade. É o único elemento da tabela periódica que se liga a si próprio numa rede alargada com a resistência da ligação carbono-carbono. O pi-eléctron deslocalizado doado por cada átomo é livre de se mover por toda a estrutura, em vez de permanecer com o seu átomo doador, resultando na primeira molécula conhecida com condutividade eléctrica de tipo metálico. Além disso, uma condutividade térmica intrínseca superior mesmo ao diamante é oferecida pelas vibrações de ligação de carbono-carbono de alta frequência.

Na maioria dos materiais, contudo, devido à ocorrência de defeitos na sua estrutura, as propriedades materiais realmente observadas, tais como resistência, condutividade eléctrica, etc., são degradadas de forma muito significativa. Por exemplo, o aço de alta resistência normalmente falha em apenas cerca de 1% da sua resistência teórica à ruptura. No entanto, os CNTs atingem valores muito próximos dos seus limites teóricos devido à sua perfeição molecular da estrutura. Este aspecto faz parte da história única dos CNTs. Os CNTs são exemplos de verdadeira nanotecnologia: são apenas cerca de um nanómetro de diâmetro, mas são moléculas que podem ser manipuladas física e quimicamente de formas muito úteis. Encontram uma gama incrível de aplicações em electrónica, ciência dos materiais, gestão de energia, processamento químico, e muitos outros campos.

CNTs Condutividade térmica

CNTs têm excelente condutividade térmica, condutividade eléctrica, e propriedades mecânicas. São provavelmente o melhor emissor de electrões de campo possível. São polímeros de carbono puro e podem ser feitos e manipulados utilizando a reconhecida e extremamente rica química do carbono. Isto oferece a oportunidade de alterar a sua estrutura e de optimizar a sua dispersão e solubilidade. Mais notavelmente, os CNTs são molecularmente perfeitos, no sentido em que são geralmente livres de falhas de degradação de propriedades na estrutura do nanotubo. As suas propriedades materiais podem assim atingir níveis próximos dos níveis muito elevados que lhes são intrínsecos. Devido a estas características extraordinárias, os CNTs podem ser utilizados prospectivamente numa série de aplicações.

CNTs Field Emission Applications

CNTs são os emissores de campo mais conhecidos de qualquer material. Isto é compreensível, no que diz respeito à sua elevada condutividade eléctrica, e à inacreditável agudeza da sua ponta (à medida que o raio de curvatura da ponta se torna menor, o campo eléctrico será mais concentrado, resultando num aumento da emissão de campo; esta é a mesma razão pela qual os pára-raios são afiados). Além disso, a nitidez da ponta indica também que emitem em voltagem especificamente baixa, um facto chave para a construção de dispositivos eléctricos de baixa potência que empregam esta característica. Os CNT podem transportar uma densidade de corrente surpreendentemente elevada, provavelmente tão elevada como 1013 A/cm2. Além disso, a corrente é extremamente estável. Os painéis planos de emissão de campo são uma aplicação imediata deste comportamento, recebendo um interesse considerável. Ao contrário dos visores de tubo de raios catódicos convencionais, onde é utilizado um único canhão de electrões, os visores baseados em CNT utilizam um canhão de electrões separado (ou mesmo muitos deles) para cada pixel individual no visor. As suas baixas tensões de activação e operação, alta densidade de corrente, e comportamento estável e de longa duração tornam os emissores de campo CNT muito atractivos nesta aplicação. Tipos gerais de fontes de iluminação de baixa tensão de cátodo frio, fontes de microscópio electrónico, e pára-raios são outras aplicações que utilizam as características de emissão de campo dos CNTs. .

CNTs Plásticos Condutores

Ao longo das últimas cinco décadas, grande parte da história dos plásticos tem envolvido a sua utilização como um substituto dos metais. Para aplicações estruturais, os plásticos progrediram tremendamente, mas não onde a condutividade eléctrica é necessária, uma vez que os plásticos são muito bons isoladores eléctricos. Esta deficiência pode ser descartada carregando os plásticos com cargas condutoras, tais como negro de fumo e fibras de grafite maiores (as utilizadas para fazer tacos de golfe e raquetes de ténis). A fim de oferecer a condutividade necessária utilizando cargas convencionais, a carga necessária é tipicamente elevada, contudo, levando a peças pesadas e, mais proeminentemente, a peças plásticas cujas propriedades estruturais são altamente degradadas. É bem conhecido que à medida que a relação de aspecto das partículas de enchimento se torna alta, a carga necessária para atingir um determinado nível de condutividade torna-se baixa. Por esta razão, os CNTs são perfeitos porque têm a mais alta relação de aspecto de qualquer fibra de carbono. Além disso, a sua tendência natural para formar cordas oferece inerentemente vias condutoras muito longas mesmo com cargas ultra-baixas.

Este comportamento dos CNTs é utilizado em aplicações tais como dissipação electrostática (ESD); compostos de protecção EMI/RFI; revestimentos para juntas, invólucros, e outras utilizações; materiais absorventes de radar para aplicações pouco observáveis (“stealth”); e materiais anti-estáticos e (mesmo transparentes!) revestimentos condutores.

CNTs Energy Storage

As propriedades intrínsecas dos CNTs fazem deles o material preferido para utilização como eléctrodos em condensadores e baterias – duas tecnologias de rápido crescimento. Os CNT possuem uma boa condutividade eléctrica, uma área de superfície extremamente elevada (~1000 m2/g), e mais importante, a sua geometria linear torna a sua superfície muito acessível ao electrólito.

A investigação demonstrou que os CNTs têm a maior capacidade reversível de qualquer material de carbono para utilização em baterias de iões de lítio . Além disso, os CNTs são excelentes materiais para eléctrodos supercapacitores e estão actualmente a ser comercializados para esta aplicação.

Além disso, os CNTs têm aplicações em vários componentes de células de combustível. Têm várias propriedades, tais como alta condutividade térmica e área de superfície, tornando-os valiosos como suportes de catalisadores de eléctrodos em células de combustível PEM. Devido à sua elevada condutividade eléctrica, também podem ser utilizados em camadas de difusão de gás, para além de colectores de corrente. As características de alta resistência e resistência ao peso das CNTs podem também revelar-se úteis como parte de componentes compostos em células de combustível que são utilizadas em aplicações de transporte, onde a durabilidade é primordial.

CNTs Adesivos e Conectores Condutores

As propriedades exactas que tornam as CNTs desejáveis como cargas condutoras para utilização em materiais ESD, blindagem electromagnética, etc., tornam-nas adequadas para aplicações de interconexão e embalagem electrónica, incluindo cabos coaxiais, compostos para vasos, e adesivos e outros tipos de conectores.

CNTs Molecular Electronics

A ideia de construir circuitos electrónicos a partir dos blocos de construção críticos dos materiais – moléculas – tem vindo a crescer nos últimos cinco anos, e é uma parte vital da nanotecnologia. Em qualquer circuito electrónico, mas especificamente quando as dimensões se reduzem à nanoescala, as interconexões entre interruptores e outros dispositivos activos tornam-se cada vez mais essenciais. A sua capacidade de derivação precisa, condutividade eléctrica e geometria tornam as CNTs os candidatos mais adequados para as ligações em electrónica molecular. Além disso, têm sido mostrados como interruptores propriamente ditos.

CNTs Materiais Térmicos

A condutividade térmica anisotrópica recorde dos CNTs está a abrir portas a várias aplicações que envolvem transferência de calor. Tal aplicação encontra-se na electrónica, especificamente na computação avançada, onde os chips não arrefecidos excedem actualmente regularmente 100 °C.

A tecnologia para criar estruturas alinhadas e fitas de CNTs é um passo no sentido de alcançar condutas de calor extremamente eficientes. Além disso, foi demonstrado que os compósitos com CNTs aumentam significativamente a sua condutividade térmica a granel, mesmo com cargas incrivelmente pequenas.

CNTs Compostos Estruturais

As propriedades superiores dos CNTs não se restringem apenas às condutividades térmicas e eléctricas, mas também incluem propriedades mecânicas, tais como resistência, tenacidade, e rigidez. Estas propriedades abrem caminho à utilização numa série de aplicações que as exploram, incluindo compósitos avançados que necessitam de valores elevados de uma ou mais destas propriedades.

CNTs Fibras e Tecidos

Recentemente, as fibras fiadas a partir de CNTs puros têm sido demonstradas e estão a experimentar um rápido desenvolvimento, juntamente com as fibras compostas de CNT. Estas fibras super fortes terão várias aplicações, tais como tecidos e têxteis, cabos de linha de transmissão, e armaduras de carroçaria e de veículos. Os CNTs estão também a ser utilizados para tornar os têxteis resistentes a manchas.

CNT Catalyst Supports

CNTs possuem intrinsecamente uma área de superfície extremamente elevada; na verdade, para os SWNTs, cada átomo não está apenas numa superfície – mas em duas superfícies, o interior e o exterior do nanotubo. Juntamente com a capacidade de fixar basicamente qualquer espécie química às suas paredes laterais (funcionalização), oferece uma perspectiva de suportes catalisadores únicos. A sua condutividade eléctrica também pode ser utilizada de forma propícia na procura de novos catalisadores e comportamento catalítico.

CNTs Biomedical Applications

Embora a exploração de CNTs em aplicações biomédicas esteja apenas em curso, tem um grande potencial. Uma vez que grande parte do corpo humano é constituído por carbono, é geralmente considerado um material muito biocompatível. O crescimento de células nos CNT tem sido demonstrado; por conseguinte, aparentemente não têm qualquer efeito tóxico. As células também não aderem aos CNT, abrindo portas para aplicações tais como revestimentos anti-incrustantes para navios e revestimentos para próteses.

A capacidade de funcionar (modificar quimicamente) as paredes laterais dos CNTs também dá origem a aplicações biomédicas, incluindo o crescimento e regeneração de neurónios, e stents vasculares. Foi também demonstrado que uma única fita de ADN pode ser ligada a um nanotubo, que pode subsequentemente ser efectivamente inserido numa célula.

CNTs Filtração de Ar e Água

As empresas e investigadores já desenvolveram dispositivos de filtração de água e ar baseados em CNT. Foi relatado que estes filtros, para além de bloquearem as partículas mais pequenas, também podem destruir a maioria das bactérias. Esta é mais uma área onde os CNTs já foram comercializados e os produtos estão agora disponíveis.

CNTs Aplicações Cerâmicas

Os cientistas de materiais da UC Davis produziram um material cerâmico reforçado com nanotubos de carbono. O novo material é significativamente mais resistente que a cerâmica tradicional, conduz electricidade, e pode tanto conduzir calor como funcionar como barreira térmica, no que respeita à orientação dos nanotubos.

P>Os materiais cerâmicos são muito duros e resistentes ao calor e ao ataque químico, são valiosos para aplicações como o revestimento de lâminas de turbinas; no entanto, são também muito frágeis. Os investigadores misturaram alumina em pó (óxido de alumínio) com 5%-10% de nanotubos de carbono, para além de 5% de nióbio finamente moído. A mistura foi tratada com um impulso eléctrico num processo chamado de sinterização por centelhaplasma pelos investigadores. Este processo cola os pós cerâmicos mais rapidamente e a temperaturas mais baixas do que os processos tradicionais.

A resistência à fractura (resistência à fissuração sob tensão) do novo material é até cinco vezes superior à da alumina tradicional. O material apresenta uma condutividade eléctrica sete vezes superior à da cerâmica anterior feita com nanotubos. Tem também propriedades térmicas fascinantes, conduzindo calor numa direcção, ao longo do alinhamento dos nanotubos e, por outro lado, reflectindo o calor em ângulo recto em relação aos nanotubos, tornando-o um material preferido para revestimentos de barreira térmica.

Outras Aplicações de Nanotubos de Carbono

Existem várias outras aplicações potenciais para CNTs, incluindo recolha solar, filtros nanoporosos, suportes de catalisadores, e todos os tipos de revestimentos. Há quase de certeza várias aplicações surpreendentes para este excelente material que serão reveladas no futuro, e que podem revelar-se as mais significativas e valiosas de todas. Vários investigadores têm vindo a estudar o papel condutor e/ou impermeável produzido com CNT. Foi também demonstrado que os CNTs absorvem luz infravermelha e podem ter aplicações na indústria da óptica I/R.

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Citações