Propriedades mecânicas dos nanotubos de carbono - Mechanical properties of carbon nanotubes

As propriedades mecânicas dos nanotubos de carbono os revelam como um dos materiais mais fortes da natureza. Nanotubos de carbono (CNTs) são longos cilindros ocos de grafeno . Embora as folhas de grafeno tenham simetria 2D, os nanotubos de carbono por geometria têm propriedades diferentes nas direções axial e radial. Foi demonstrado que os CNTs são muito fortes na direção axial. Módulo de Young da ordem de 270 - 950 GPa e resistência à tração de 11 - 63 GPa foram obtidos.

Força

Os nanotubos de carbono são os materiais mais fortes e rígidos já descobertos em termos de resistência à tração e módulo de elasticidade, respectivamente. Esta força resulta das ligações covalentes sp ² formadas entre os átomos de carbono individuais. Em 2000, um nanotubo de carbono com várias paredes foi testado para ter uma resistência à tração de 63 gigapascais (9.100.000 psi). (Para ilustração, isso se traduz na capacidade de suportar a tensão de um peso equivalente a 6.422 quilogramas-força (62.980 N; 14.160 lbf) em um cabo com seção transversal de 1 milímetro quadrado (0,0016 pol²). como um conduzido em 2008, revelou que as cápsulas de CNT individuais têm potências de até ≈100 gigapascals (15.000.000 psi), o que está de acordo com os modelos quânticos / atomísticos. Uma vez que os nanotubos de carbono têm uma baixa densidade para um sólido de 1,3 a 1,4 g / cm ³ , sua resistência específica de até 48.000 kN · m · kg ⁻¹ é o melhor dos materiais conhecidos, em comparação com o aço de alto carbono 154 kN · m · Kg ^-1 .

Sob tensão de tração excessiva, os tubos sofrerão deformação plástica , o que significa que a deformação é permanente. Essa deformação começa com deformações de aproximadamente 5% e pode aumentar a deformação máxima que os tubos sofrem antes da fratura, liberando energia de deformação.

Embora a resistência das camadas individuais de CNT seja extremamente alta, as fracas interações de cisalhamento entre as camadas e tubos adjacentes levam a uma redução significativa na resistência efetiva de nanotubos de carbono com paredes múltiplas e feixes de nanotubos de carbono até apenas alguns GPa. Esta limitação foi abordada recentemente pela aplicação de irradiação de elétrons de alta energia, que reticula cascas e tubos internos e aumenta efetivamente a resistência desses materiais para ≈60 GPa para nanotubos de carbono de paredes múltiplas e ≈17 GPa para feixes de nanotubos de carbono de parede dupla .

Os CNTs não são tão fortes sob compressão. Por causa de sua estrutura oca e alta proporção de aspecto, eles tendem a sofrer flambagem quando colocados sob pressão de compressão , torção ou flexão.

Comparação de propriedades mecânicas
Material	Módulo de Young (TPa)	Resistência à tração (GPa)	Alongamento na ruptura (%)
Nanotubos de carbono de parede única (SWNT) ^E	≈1 (de 1 a 5)	13-53	16
Poltrona SWNT ^T	0,94	126,2	23,1
Zigzag SWNT ^T	0,94	94,5	15,6–17,5
Quiral SWNT	0,92
MWNT ^E	0,2–0,8–0,95	11–63–150
Aço inoxidável ^E	0,186–0,214	0,38-1,55	15–50
Kevlar –29 e 149 ^E	0,06–0,18	3,6–3,8	≈2

^E Observação experimental; Previsão teórica ^T

Elasticidade radial

Por outro lado, houve evidências de que na direção radial eles são bastante macios. A primeira observação do microscópio eletrônico de transmissão da elasticidade radial sugeriu que mesmo as forças de van der Waals podem deformar dois nanotubos adjacentes. Posteriormente, nanoindentações com microscópio de força atômica foram realizadas por vários grupos para medir quantitativamente a elasticidade radial de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e microscopia de força atômica de modo de toque / contato também foi realizada em nanotubos de carbono de parede única. O módulo de Young da ordem de vários GPa mostrou que os CNTs são de fato muito suaves na direção radial. Um diagrama de fase completo dando a transição para a geometria colapsada radialmente em função do diâmetro, pressão e número de paredes do tubo foi produzido a partir de fundamentos semi-empíricos.

A elasticidade da direção radial dos CNTs é importante especialmente para compósitos de nanotubos de carbono, onde os tubos embutidos são submetidos a grande deformação na direção transversal sob a carga aplicada na estrutura do compósito.

Um dos principais problemas na caracterização da elasticidade radial dos CNTs é o conhecimento sobre o raio interno do CNT; nanotubos de carbono com diâmetro externo idêntico podem ter diâmetros internos diferentes (ou o número de paredes). Em 2008, um método usando um microscópio de força atômica foi introduzido para determinar o número exato de camadas e, portanto, o diâmetro interno do CNT. Desta forma, a caracterização mecânica é mais precisa.

Dureza

Nanotubos de carbono de parede simples padrões podem suportar uma pressão de até 25 GPa sem deformação [plástico / permanente]. Eles então passam por uma transformação em nanotubos de fase superhard. As pressões máximas medidas usando as técnicas experimentais atuais são em torno de 55 GPa. No entanto, esses novos nanotubos de fase superhard colapsam com uma pressão ainda maior, embora desconhecida.

O módulo de bulk dos nanotubos de fase superhard é 462 a 546 GPa, ainda maior do que o do diamante (420 GPa para cristal de diamante único).

Molhabilidade

A molhabilidade da superfície do CNT é importante para suas aplicações em vários ambientes. Embora o ângulo de contato intrínseco da grafite seja em torno de 90 °, os ângulos de contato da maioria dos arranjos de CNT sintetizados são superiores a 160 °, exibindo uma propriedade superhidrofóbica. Aplicando uma voltagem tão baixa quanto 1,3 V, a superfície extrema do repelente de água pode ser trocada por uma super-hidrofílica.

Propriedades cinéticas

Nanotubos de paredes múltiplas são nanotubos concêntricos múltiplos precisamente aninhados um dentro do outro. Estes exibem uma propriedade telescópica impressionante, por meio da qual um núcleo de nanotubo interno pode deslizar, quase sem atrito, dentro de seu invólucro de nanotubo externo, criando assim um rolamento linear ou rotacional atomicamente perfeito. Este é um dos primeiros exemplos verdadeiros de nanotecnologia molecular , o posicionamento preciso de átomos para criar máquinas úteis. Esta propriedade já foi utilizada para criar o menor motor rotacional do mundo . Aplicações futuras, como um oscilador mecânico gigahertz, também estão previstas.

Defeitos

Como acontece com qualquer material, a existência de um defeito cristalográfico afeta as propriedades do material. Os defeitos podem ocorrer na forma de vagas atômicas . Altos níveis de tais defeitos podem reduzir a resistência à tração em até 85%. Um exemplo importante é o defeito Stone Wales , também conhecido como defeito 5-7-7-5, porque cria um par pentágono e heptágono por rearranjo das ligações. Por causa da estrutura muito pequena dos CNTs, a resistência à tração do tubo depende de seu segmento mais fraco de maneira semelhante a uma corrente, onde a resistência do elo mais fraco se torna a resistência máxima da corrente.

Deformação plástica

Um material 3D típico sofre deformação plástica , o que significa que a deformação é permanente, pelo movimento de deslocamentos 1D através do material. Durante esse processo, esses deslocamentos podem interagir entre si e se multiplicar. Como os CNTs são eles próprios materiais 1D, os conhecidos mecanismos de geração e multiplicação (como uma fonte Frank-Read ) para deslocamentos 1D não se aplicam.

Em vez disso, os CNTs sofrem deformação plástica por meio da formação e movimentação de defeitos, principalmente defeitos topológicos, como o defeito Stone Wales ou defeito 5-7-7-5. O defeito 5-7-7-5 também pode ser pensado como um par de defeitos 5-7, em que cada defeito é adjacente a um anel de 5 membros e dois de 7 membros. Esta estrutura de defeito é metaestável , portanto, leva uma energia de vários eV para nuclear, ou formar. Além disso, o defeito se move pela migração separada dos 5-7 pares de defeitos. Este movimento também está associado a uma barreira de energia. A energia exata depende da configuração e quiralidade do CNT específico. A energia de ativação para a formação desses defeitos em um CNT de diâmetro e ângulo quiral pode ser estimada como eV, onde é a deformação externa. Esta barreira de energia de ativação explica parcialmente a baixa ductilidade dos CNTs (~ 6-15%) à temperatura ambiente. No entanto, pode ser superado em altas temperaturas ou com a aplicação de cepas adequadas. Por exemplo, o defeito é nucleado em posições que experimentam alta tensão de tração em CNTs tipo poltrona e em posições que experimentam alta tensão compressiva em CNTs tipo zigag. ${\ displaystyle D}$ ${\ displaystyle \ chi}$ ${\ displaystyle E = 10.0-0.58 / D-17.5 \ epsilon -27 \ epsilon \ sin (2 \ chi +46 ^ {\ circ})}$ ${\ displaystyle \ epsilon}$

As tensões aplicadas podem superar a barreira de energia necessária para mover 5-7 pares de defeitos. Outra maneira de entender isso é que, quando tensionado, um CNT libera a deformação formando esses defeitos espontaneamente. Por exemplo, em (5,5) tubos, uma deformação crítica de tração de ~ 5% resulta na geração de defeitos. A estrutura do defeito reduz a tensão porque a geometria do heptágono é capaz de se esticar mais do que os anéis hexagonais originais, enquanto a ligação CC permanece com aproximadamente o mesmo comprimento. Dobrar os tubos além de uma curvatura crítica tem o mesmo efeito. Esse comportamento pode ser aproximado por uma análise semiquantitativa simples. Aplicar uma tensão sobre um tubo de comprimento e diâmetro funciona aproximadamente igual a no tubo, onde estão os vetores de Burgers para o defeito, é a curvatura de dobra e relaciona o módulo de Young do CNT ao do grafeno. O aumento de energia resultante da criação do defeito e da separação dos 5-7 pares é aproximadamente dado por . Aqui, está a energia do núcleo de deslocamento e fornece a energia de interação entre os pares de defeitos. Defeito movimento ocorre quando o trabalho feito por uma tensão aplicada supera-lo, de modo que a curvatura dobra necessária é inversamente proporcional ao diâmetro da CNT: . Da mesma forma, as vibrações térmicas podem fornecer a energia necessária para a nucleação e o movimento do defeito. Na verdade, uma combinação de tensão e alta temperatura é necessária para induzir a deformação plástica observável nos CNTs. Isso tem sido alcançado na literatura por meio da aplicação de uma corrente, que causa aquecimento resistivo no material. Para CNTs submetidos a temperaturas acima de 1500K, alongamentos de até 280% foram relatados. Esse tipo de comportamento é chamado de superplasticidade . Nessas altas temperaturas, dobras podem se formar e se mover por subida, bem como por deslizamento. A escalada de torções é evidenciada pelo fato de que nem sempre se movem ao longo dos planos compactados nos CNTs, mas sim ao longo do comprimento de um tubo. Quando os kinks deslizam ao longo de aviões compactados em CNTs, eles seguem um caminho helicoidal. Propõe-se que temperaturas elevadas possibilitem a difusão de lacunas, de forma que os defeitos passem por um processo semelhante ao observado em materiais cristalinos 3D. ${\ displaystyle \ sigma}$ ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle b \ int _ {0} ^ {L} \ sigma (L) dL = \ lambda b \ rho D ^ {2}}$ ${\ displaystyle b}$ ${\ displaystyle \ rho}$ ${\ displaystyle \ lambda}$ ${\ displaystyle E (L) = 2E_ {core} + A \ lambda b ^ {2} g (D)}$ ${\ displaystyle E_ {core}}$ ${\ displaystyle g (D)}$ ${\ displaystyle \ rho _ {yield} \ approx {\ frac {2E_ {core} / \ lambda b + Abg (D)} {D ^ {2}}}}$

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