p Imagem do microscópio eletrônico de varredura do circuito elétrico de medição de resistividade, em que uma única nano bobina de carbono faz excelente contato com os eletrodos. Crédito:(c) Toyohashi University Of Technology
p Nanobolas de carbono (CNCs) são uma classe exótica de nanocarbonos de baixa dimensão cuja forma helicoidal pode torná-los adequados para aplicações como absorvedores de microondas e vários componentes mecânicos, como molas. Espessuras típicas e diâmetros de bobina de CNCs estão dentro das faixas de 100-400 nm e 400-1000 nm, respectivamente, e seus comprimentos totais são muito maiores, na ordem de várias dezenas de micrômetros. Apesar do trabalho pioneiro anterior, as relações entre a forma geométrica de CNCs naturais e suas propriedades mecânicas e elétricas, particularmente a resistividade elétrica, não são bem compreendidos. p Agora, pesquisadores da Toyohashi Tech, Universidade de Yamanashi, Instituto Nacional de Tecnologia, Gifu College, e Tokai Carbon Co., Ltd. estabeleceu que a resistividade dos CNCs aumenta com o diâmetro da bobina. Isso exigiu o desenvolvimento de um método preciso de medição de resistividade, usando um feixe de íons focado (FIB) e técnica de nanomanipulador para selecionar uma amostra CNC com a geometria de bobina desejada e, em seguida, fazer conexões elétricas firmes aos eletrodos do instrumento. Todos os dados de resistividade obtidos com CNCs foram bem ajustados por uma curva prevista por uma teoria conhecida como intervalo-salto variável (VRH), que é adequado para materiais desordenados em baixas temperaturas.
p A pesquisa mostra que o interior da nano-bobina contém material que afeta suas propriedades elétricas. Os cientistas examinaram 15 CNCs individuais, e três CNCs que foram grafitados artificialmente para dar a eles resistividade mais baixa (G-CNCs). Embora a resistividade dos CNCs tenha aumentado com o diâmetro da bobina, ficou quase inalterado para os G-CNCs. Como consequência, para os CNCs com os maiores diâmetros, a resistividade era quase duas ordens de magnitude maior do que as versões grafitadas. Esta grande discrepância na resistividade entre CNCs e G-CNCs indica uma complexidade estrutural significativa dentro dos CNCs. Nossos resultados implicam que o interior de CNCs com grande diâmetro de bobina é preenchido com uma rede de carbono altamente desordenada que consiste em muitas pequenas regiões (conhecidas como domínios sp2) embutidas em um mar de carbono amorfo. Para verificar esta teoria, a dependência da resistividade com a temperatura entre 4 K e 280 K foi examinada. Os dados de resistividade obedeceram a duas versões diferentes da teoria VRH; o regime na faixa de temperatura de 50-280 K foi encontrado para ser a chamada versão Mott-VRH, enquanto que na faixa de 4-20 K era a versão Efros-Shklovskii-VRH. Interessantemente, as curvas de resistividade mudaram suavemente entre os regimes conforme o diâmetro da bobina foi alterado.
p "Encontramos esse comportamento há três anos. Graças aos esforços de dois alunos, incluímos os dados de resistividade para G-CNCs e nanofibras de carbono simples (CNFs), e os comparou com os dados dos CNCs ", explica o professor associado Yoshiyuki Suda, "Estou tão feliz que o Prof. Hiroyuki Shima e o Dr. Tamio Iida se juntaram a este estudo. Obtivemos os dados de medição de baixa temperatura e os discutimos usando a teoria VRH. chegamos à conclusão de que este comportamento é um fenômeno único para CNCs e pode ser ajustado por VRH. "
p Dependência da resistividade das nanobolas de carbono com a temperatura, para diferentes diâmetros de bobina. Os eixos do gráfico, resistividade logarítmica (ρ) e T-1/4, são usados para simplificar o retrato da dependência funcional. As linhas sólidas nesta figura mostram o melhor ajuste aos dados com o modelo Mott-VRH. Crédito:(c) Toyohashi University Of Technology
p O primeiro autor, Aluno do curso de mestrado Yasushi Nakamura, comentaram como foram além das medições de resistividade CNC de outros grupos. "Foi uma tarefa longa e desafiadora. Tive de preparar muitas amostras individuais de CNC usando um aparelho de feixe de íons focalizado. Nossa descoberta foi alcançada estabelecendo um sistema de medição preciso usando um microscópio eletrônico de varredura e adquirindo dados de resistividade para muitos CNCs individuais."
p Os resultados atuais do grupo sobre resistividade estão em concordância qualitativa com suas descobertas anteriores sobre as propriedades mecânicas de CNCs:Experimentos de carga de tração mostraram que seu módulo de cisalhamento aumenta com o diâmetro da bobina. A correlação positiva entre o módulo de cisalhamento e o diâmetro da bobina é possivelmente causada pelo fato de que em CNCs de grande diâmetro, a população de domínios sp2, que são frágeis contra a tensão de cisalhamento, é reduzido em comparação com CNCs de pequeno diâmetro.
p Aluno do curso de mestrado (formado em março de 2016) Yasushi Nakamura (à esquerda) e o professor associado Yoshiyuki Suda (à direita). Crédito:(c) Toyohashi University Of Technology
p Esses resultados implicam que, com nanobolas, tanto a resistência quanto a indutância são definidas por fatores geométricos. Em particular, diâmetro da bobina, tom, e o comprimento são importantes. A correlação encontrada pode ser usada para melhorar o controle sobre a frequência de pico de absorção de ondas eletromagnéticas, em que uma determinada faixa de frequências (~ GHz) é absorvida, dependente das propriedades de impedância.
p Essas descobertas abrem caminho para nanodispositivos baseados em CNC, variando de absorvedores de ondas eletromagnéticas a nano-solenóides e molas mecânicas extra-sensíveis.
