Os nanotubos de carbono, moléculas cilíndricas feitas de átomos de carbono, estão entre os materiais mais fortes e rígidos conhecidos. No entanto, novos filmes do laboratório de A. John Hart, o Eminente Professor Morris de Ciência e Engenharia de Materiais na Universidade de Delaware, mostram que os nanotubos podem dobrar-se como cordas de guitarra lentas.

Os filmes são criação do estudante de graduação Joseph Romano a partir de imagens de vídeo de alta velocidade tiradas no microscópio eletrônico de Hart. Eles documentam pela primeira vez como a forma de um nanotubo de carbono muda quando ele é dobrado, fornecendo novas informações valiosas para cientistas que buscam compreender o comportamento dos nanotubos e projetar novos materiais baseados neles.

“Estas são as primeiras observações em tempo real da curvatura de nanotubos de carbono individuais”, disse Romano, que apresentou a pesquisa recentemente na reunião de outono da Materials Research Society, em Boston. “Eles estão abrindo um novo caminho para explorar as propriedades desses materiais notáveis.”

Os nanotubos de carbono têm normalmente alguns nanômetros de diâmetro e podem ter vários micrômetros de comprimento. Para efeito de comparação, a largura de um fio de cabelo humano é de cerca de 50.000 nanômetros. Devido ao seu pequeno tamanho, os nanotubos de carbono foram estudados principalmente com microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de transmissão, ambas fornecendo imagens estáticas em vez de vídeos em tempo real.

Hart e Romano desenvolveram um novo método para capturar imagens de vídeo de nanotubos de carbono individuais usando um microscópio eletrônico de varredura ambiental (ESEM). O ESEM difere de um microscópio eletrônico de varredura tradicional porque contém uma pequena câmara cheia de um gás de baixa pressão, neste caso, vapor de água. O gás fornece resistência suficiente ao feixe de elétrons para evitar que ele vaporize os nanotubos de carbono, permitindo que sejam visualizadas em tempo real.

Para fazer um filme sobre a flexão de um nanotubo de carbono, Romano suspendeu um nanotubo em uma pequena trincheira em um chip de silício e depois usou um manipulador de precisão para empurrar o nanotubo. À medida que o nanotubo se dobrava, Romano gravou imagens de vídeo do processo.

Os filmes revelam que os nanotubos de carbono se dobram de uma forma única. Quando uma corda de violão é tocada, ela vibra em uma frequência específica, produzindo uma nota. Da mesma forma, quando um nanotubo de carbono é dobrado, ele vibra numa frequência específica. A frequência depende do comprimento e espessura do nanotubo, bem como da força aplicada a ele.

Ao analisar os filmes, Romano conseguiu determinar o módulo de Young dos nanotubos de carbono, uma medida de sua rigidez. Descobriu-se que o módulo de Young dos nanotubos de carbono que Romano estudou era de cerca de 1 teraPascal (TPa), que é comparável ao módulo de Young do diamante, o material mais duro conhecido.

Os filmes também fornecem novos insights sobre as propriedades mecânicas dos nanotubos de carbono. Por exemplo, eles mostram que os nanotubos de carbono podem suportar grandes flexões sem quebrar, indicando que são extremamente resistentes.

Espera-se que as novas descobertas da pesquisa tenham implicações para o projeto e aplicação de materiais à base de nanotubos de carbono. Por exemplo, os nanotubos de carbono poderiam ser utilizados para produzir fibras ultra-fortes para utilização em materiais leves ou como sensores que detectam a presença de produtos químicos específicos.

“As aplicações potenciais dos nanotubos de carbono são enormes”, disse Romano. “Ao compreender as propriedades mecânicas desses materiais, podemos abrir as portas para aplicações novas e inovadoras.”