p Os nanotubos de carbono de parede única deveriam, teoricamente, ser extremamente fortes, mas ainda não está claro por que suas resistências à tração experimental são menores e variam entre os nanotubos. Uma equipe da Universidade de Nagoya, Universidade de Kyoto, e o Aichi Institute of Technology mediu diretamente a resistência à tração de nanotubos de carbono de parede única definidos por estrutura individual, revelando os principais insights sobre a relação entre sua estrutura e força. p Nanotubos de carbono foram previstos como materiais estruturais revolucionários devido à sua excelente força teórica por peso (Fig. 1a). Eles até incentivaram a construção de um elevador espacial, o que é impossível usando outros materiais existentes.

p Os nanotubos de carbono têm uma variedade de estruturas com vários alinhamentos de átomos de carbono. Dependendo do número de camadas concêntricas, nanotubos de carbono são classificados como nanotubos de parede única ou de parede múltipla (Fig. 1b). Adicionalmente, estruturas das camadas concêntricas são especificadas por diâmetro e ângulo quiral (Fig 1c) ou um par de inteiros (n, m) conhecidos como índices quirais.

p Devido à dificuldade na síntese seletiva de nanotubos de estrutura única, os estudos sistemáticos de suas propriedades mecânicas requerem a determinação da estrutura de cada nanotubo de amostra. Contudo, devido ao seu tamanho em nanoescala e dificuldade em manipulá-los, o teste de tração de nanotubos de carbono de parede única "definidos pela estrutura" ainda não foi realizado. Os estudos anteriores mostraram que a resistência à tração de nanotubos de carbono reais, incluindo nanotubos de carbono de parede única com paredes múltiplas e indefinidas de estrutura, é normalmente inferior ao caso ideal. Além disso, a força variou consideravelmente entre as amostras medidas.

p Esse espalhamento representa um problema crítico em relação ao seu uso prático em materiais estruturais macroscópicos, como fios compostos de muitos nanotubos de carbono, porque sua fratura será iniciada a partir dos nanotubos mais fracos. A falta de um estudo experimental sistemático sobre a dependência da estrutura há muito obscureceu o mecanismo de fratura de nanotubos de carbono reais, e, Portanto, impediu o desenvolvimento de um material estrutural macroscópico com uma relação resistência-peso ideal.

p Uma equipe de físicos, químicos, e engenheiros mecânicos projetaram os esquemas experimentais para o teste de tração de nanotubos de carbono de parede única definida pela estrutura (doravante, referidos como nanotubos). Nanotubos individuais foram sintetizados em uma fenda aberta em escala micrométrica por meio de métodos de deposição de vapor químico de álcool ambiente (Fig. 2a). A espectroscopia de espalhamento Rayleigh de banda larga foi empregada para determinar as estruturas dos nanotubos (Fig. 2b). Então, os nanotubos definidos pela estrutura individual foram apanhados com uma micro forquilha (Fig. 2c), e transferidos para um dispositivo de sistema microeletromecânico caseiro (MEMS) (Fig. 2d). Cada nanotubo individual foi suspenso e mantido entre um par de estágios de amostra que foram conectados a uma microcélula de carga e atuador para a medição de força direta e aplicação de força de tração uniaxial, respectivamente (Fig. 2d). A Figura 2e mostra uma imagem no momento em que o nanotubo fraturou durante o carregamento de tração. A força foi avaliada diretamente a partir do deslocamento medido do estágio da célula de carga equipado com micromolas de acordo com a lei de Hooke.

p A equipe conseguiu medir a resistência à tração de 16 espécies de nanotubos definidas pela estrutura. A Figura 3a resume a dependência da estrutura das resistências de tração finais do nanotubo medidas. As forças são aparentemente dependentes do ângulo quiral (Fig. 3b) e do diâmetro (Fig. 3c) dos nanotubos.

p A equipe encontrou uma relação clara entre as resistências e as estruturas, considerando as direções das ligações carbono-carbono contra a direção da carga de tração e a concentração de tensões nos defeitos estruturais. Além disso, a equipe desenvolveu uma fórmula empírica para prever as forças reais dos nanotubos. Esta fórmula empírica fornece as estruturas de nanotubos mais favoráveis ​​que devem ser sintetizadas seletivamente para o material mais forte (topo do conteúdo). Felizmente, os tipos sugeridos de estruturas de nanotubos não são bem restritos. Embora ainda existam vários problemas graves, incluindo a síntese seletiva de estrutura de nanotubos sem defeitos, o crescimento de longos nanotubos, e fazer cordas que mantêm sua força, essa descoberta fornece um dos insights fundamentais para o desenvolvimento de materiais superfortes e ultraleves para uso na construção do equipamento de transporte mais seguro e mais eficiente em termos de combustível ou de estruturas arquitetônicas massivas.