Os nanotubos de carbono têm se mostrado promissores para tudo, desde microeletrônica até aviação e armazenamento de energia. Os pesquisadores acreditam que este material poderá um dia realizar o sonho da ficção científica de criar um elevador para o espaço.



Então, por que eles não são usados ​​com mais frequência?

O químico Noe Alvarez, da Universidade de Cincinnati, disse que um obstáculo tem sido a frustrante incapacidade de ligar nanotubos de carbono a superfícies metálicas em uma conexão robusta para sensores, transistores e outros usos. Esses tubos ocos têm um diâmetro de apenas um bilionésimo de metro, mas podem ter vários centímetros de comprimento.

"Queremos que nossos experimentos sejam reproduzíveis e consistentes, mas isso não é facilmente possível com os nanotubos porque não podemos controlar o quão bem eles estão conectados às superfícies metálicas", disse ele.

Mas ele e seus colaboradores demonstraram um novo processo químico que enxerta nanotubos em superfícies metálicas para criar uma ligação condutora forte, consistente. O estudo foi publicado na revista Nanoscale Advances .

Em iterações anteriores, os nanotubos de carbono foram dispersos em uma solução para fazer o que Alvarez compara a um “espaguete úmido” que gruda em uma superfície metálica.

"Mas não existe uma conexão robusta. Nada realmente mantém os nanotubos na superfície", disse ele.

Portanto, as medições de propriedades como a condutividade elétrica eram imprecisas e inconsistentes.

Alvarez e seus parceiros de pesquisa na Texas A&M University, liderados pelo professor de engenharia química Jorge Seminario, demonstraram maneiras de ligar quimicamente nanotubos a cobre, alumínio, ouro e outras superfícies metálicas.

Alvarez e seus colaboradores receberam uma doação de US$ 720 mil da National Science Foundation para elaborar sua descoberta química nos próximos três anos.

"Por que não vemos nanotubos de carbono em aplicações comerciais generalizadas, embora tenham tanto potencial? Temos muito que descobrir", disse Chaminda Nawarathne, estudante de doutorado da UC e autora principal do estudo.

Alvarez e seus coautores descobriram, por meio de cálculos computacionais, que os átomos de carbono na ligação orgânica, na verdade, se ligam a dois átomos de cobre, criando uma ligação especialmente forte.

"Isso explica por que nossos nanotubos, uma vez conectados quimicamente, permanecem conectados", disse Alvarez.

Os nanotubos de carbono são moléculas notoriamente fortes. Sua estrutura molecular cria uma estrutura hexagonal elegante. "As ligações de carbono são as ligações mais fortes. São ligações covalentes. É por isso que o diamante é o material mais duro, porque são ligações carbono-carbono", disse Alvarez.

Embora os átomos de carbono nos diamantes sejam ligações simples, os nanotubos de carbono têm átomos de ligação dupla conjugados, tornando-os ainda mais fortes que os diamantes.

Cabos feitos de nanotubos de carbono fortes, mas leves, foram concebidos para criar "elevadores espaciais" que poderiam transportar equipamentos para a órbita, disse Alvarez. Um elevador espacial foi retratado na cena de abertura do filme de Brad Pitt "Ad Astra".

Mas a força é apenas uma de suas propriedades únicas.

Nanotubos de carbono são usados ​​para criar o material sintético mais preto da Terra. Alvarez disse que suas fortes ligações com o metal poderiam levar a melhores tintas e revestimentos.

"Os nanotubos são bastante inertes. Eles são muito estáveis. Você pode conjugá-los sem quebrar suas ligações. Os nanotubos semicondutores também têm propriedades de fluorescência - eles podem gerar luz", disse Alvarez. "Portanto, a lista de aplicativos é infinita."

Nawarathne disse que está buscando aplicações potenciais em armazenamento de energia.

"Agora que podemos ligar os nanotubos de carbono a um coletor de corrente ou a uma sonda de metal, podemos fabricar eletrodos muito estáveis ​​para supercapacitores", disse Nawarathne.

Os estudantes de química da UC "cultivam" nanotubos em discos de silício usando um processo chamado deposição química catalítica de vapor em equipamentos que aquecem reagentes e um catalisador de ferro a 1.450°F.

“Está em brasa”, disse Alvarez, apontando para um objeto visível através de uma janela de vidro na máquina do tamanho de um forno. "Isso é como uma assadeira. O catalisador entra aqui."

Após 45 minutos, uma fina camada de nanotubos de carbono aparece no silício. A partir daí, os pesquisadores conseguiram eletroenxertar os nanotubos em uma variedade de superfícies metálicas. Inicialmente, eles usaram feixes de nanotubos, mas com processos refinados aprenderam que podem conectar nanotubos alinhados verticalmente.

"É como tentar conectar a lã a uma ovelha. Você tem um fio que foi cortado da ovelha. Somos capazes de conectar quimicamente fibras individuais de volta à ovelha", disse ele.

Mais informações: Chaminda P. Nawarathne et al, Criando ligações covalentes entre Cu e C na interface de metal/nanotubos de carbono abertos, Nanoscale Advances (2023). DOI:10.1039/D3NA00500C
Fornecido pela Universidade de Cincinnati