p Professor Stephan Irle do Instituto de Biomoléculas Transformativas (WPI-ITbM) na Universidade de Nagoya e colegas de trabalho na Universidade de Kyoto, Oak Ridge National Lab (ORNL), e as instituições de pesquisa chinesas revelaram, por meio de simulações teóricas, que o mecanismo molecular do crescimento do nanotubo de carbono (CNT) e da combustão de hidrocarbonetos, na verdade, compartilham muitas semelhanças. p Em estudos usando moléculas de acetileno (etino; C2H2, uma molécula contendo uma ligação tripla entre dois átomos de carbono) como matéria-prima, o radical etinil (C2H), descobriu-se que um intermediário molecular altamente reativo desempenha um papel importante em ambos os processos de formação de CNTs e fuligem, que são duas estruturas distintamente diferentes.

p O estudo foi publicado online em 24 de janeiro, 2014 em Carbono , espera-se que leve à identificação de novas maneiras de controlar o crescimento de CNTs e aumentar a compreensão dos processos de combustão de combustível.

p Os CNTs são moléculas com uma nanoestrutura cilíndrica (nano =10E-9 m ou 1/1, 000, 000, 000 m). Decorrente de suas propriedades físicas e químicas únicas, Os CNTs encontraram aplicações tecnológicas nas áreas de eletrônica, ótica e ciência dos materiais.

p Os CNTs podem ser sintetizados por um método chamado deposição química de vapor, onde moléculas de vapor de hidrocarboneto são depositadas em catalisadores de metal de transição sob um fluxo de gás não reativo em altas temperaturas.

p Os problemas atuais com este método são que os CNTs são geralmente produzidos como misturas de nanotubos com vários diâmetros e diferentes estruturas de parede lateral. Simulações teóricas coordenadas pelo professor Irle investigaram os mecanismos moleculares do crescimento do CNT usando moléculas de acetileno como matéria-prima (Figura 1). O resultado de sua pesquisa fornece uma visão sobre a identificação de novos parâmetros que podem ser variados para melhorar o controle sobre as distribuições de produtos na síntese de CNTs.

p Cálculos teóricos de alto nível usando dinâmica molecular química quântica foram realizados para estudar os estágios iniciais do crescimento de CNT a partir de moléculas de acetileno em pequenos aglomerados de ferro (Fe38). Estudos mecanísticos anteriores postularam a decomposição completa dos gases da fonte de hidrocarbonetos em carbono atômico antes do crescimento do CNT.

p "Nossas simulações mostraram que a oligomerização do acetileno e as reações de reticulação entre as cadeias de hidrocarbonetos ocorrem como principais vias de reação no crescimento do CNT, junto com a decomposição em carbono atômico ", diz o professor Stephan Irle, quem liderou a pesquisa, "Isso segue os mecanismos semelhantes à adição de acetileno por abstração de hidrogênio (HACA) que são comumente observados em processos de combustão", continua ele.

p Os processos de combustão são conhecidos por ocorrerem pelo mecanismo semelhante à adição de acetileno de abstração de hidrogênio (HACA). A iniciação do mecanismo começa com a abstração do átomo de hidrogênio de uma molécula precursora seguida pela adição de acetileno, e o ciclo repetitivo leva à formação de carbonos aromáticos policíclicos estruturados em anel (PAHs).

p Nesse processo, o radical etinil altamente reativo (C2H) está continuamente sendo regenerado, estendendo os anéis dos PAHs e eventualmente formando fuligem. O mesmo intermediário reativo chave é observado no crescimento do CNT e atua como um organocatalisador (um catalisador baseado em uma molécula orgânica), facilitando as reações de transferência de hidrogênio em aglomerados de hidrocarbonetos em crescimento. As simulações identificam um processo de bifurcação intrigante pelo qual espécies de hidrocarbonetos ricos em hidrogênio enriquecem o conteúdo de hidrogênio criando subprodutos não CNT, e as espécies de hidrocarbonetos deficientes em hidrogênio enriquecem o conteúdo de carbono levando ao crescimento do CNT (Figura 2).

p “Começamos esse tipo de pesquisa em 2000, e o longo tempo de simulação tem sido um grande desafio para conduzir simulações completas em todas as moléculas participantes, devido à resistência relativamente alta da ligação carbono-hidrogênio. Ao estabelecer e usar um método rápido de cálculo, fomos capazes de incorporar com sucesso o hidrogênio em nossos cálculos pela primeira vez, o que levou a esse novo entendimento, revelando a semelhança entre o crescimento do CNT e os processos de combustão de hidrocarbonetos. Esta descoberta é muito intrigante no sentido de que esses processos foram por muito tempo considerados como ocorrendo por mecanismos completamente diferentes ", elabora o professor Irle.

p Os resultados dessas simulações ilustram a importância do papel da ligação química do carbono e das transformações moleculares no crescimento do CNT. Professor Irle explica, "Nossas simulações sugerem novos parâmetros, como o ajuste do conteúdo de hidrogênio para melhorar o controle do crescimento do CNT e da formação de fuligem. Queremos desenvolver novos métodos para agilizar técnicas que vão convencer experimentalistas e estabelecer novas ferramentas para explorar novas possibilidades que irão contribuir para a compreensão desses processos importantes. "