Potenciais aplicações de nanotubos de carbono - Potential applications of carbon nanotubes
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Nanotubos de carbono (CNTs) são cilindros de uma ou mais camadas de grafeno (rede). Diâmetros de nanotubos de carbono de parede única (SWNTs) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNTs) são normalmente de 0,8 a 2 nm e 5 a 20 nm, respectivamente, embora os diâmetros de MWNT possam exceder 100 nm. Os comprimentos do CNT variam de menos de 100 nm a 0,5 m.
As paredes individuais de CNT podem ser metálicas ou semicondutoras, dependendo de como os NTs são tipicamente metálicos e podem carregar correntes de até 10 9 A cm- 2 . Os SWNTs podem exibir condutividade térmica de 3500 W m −1 K −1 , excedendo a do diamante .
Em 2013, a produção de nanotubos de carbono ultrapassou vários milhares de toneladas por ano, usados para aplicações em armazenamento de energia, modelagem de dispositivos, peças automotivas, cascos de barcos, artigos esportivos, filtros de água, eletrônicos de filme fino, revestimentos, atuadores e escudos eletromagnéticos. As publicações relacionadas à CNT mais do que triplicaram na década anterior, enquanto as taxas de emissão de patentes também aumentaram. A maior parte da produção era de arquitetura desorganizada. Arquiteturas CNT organizadas como "florestas", fios e folhas regulares foram produzidas em volumes muito menores. Os CNTs até foram propostos como a corda para um suposto elevador espacial .
Recentemente, vários estudos destacaram a perspectiva de usar nanotubos de carbono como blocos de construção para fabricar dispositivos macroscópicos tridimensionais (> 1 mm em todas as três dimensões) totalmente em carbono. Lalwani et al. relataram um novo método de reticulação térmica iniciado por radical para fabricados macroscópicos, autônomos, porosos, andaimes totalmente de carbono usando nanotubos de carbono de parede única e múltipla como blocos de construção. Esses andaimes possuem poros macro, micro e nanoestruturados e a porosidade pode ser adaptada para aplicações específicas. Esses andaimes / arquiteturas 3D totalmente em carbono podem ser usados para a fabricação da próxima geração de armazenamento de energia, supercapacitores, transistores de emissão de campo, catálise de alto desempenho, fotovoltaicos e dispositivos e implantes biomédicos.
Pesquisa biológica e biomédica
Pesquisadores da Rice University e da State University of New York - Stony Brook mostraram que a adição de baixo peso% de nanotubos de carbono pode levar a melhorias significativas nas propriedades mecânicas de nanocompósitos poliméricos biodegradáveis para aplicações em engenharia de tecidos, incluindo osso, cartilagem, músculo e tecido nervoso. A dispersão de% em peso de grafeno (~ 0,02% em peso) resulta em aumentos significativos nas propriedades mecânicas de compressão e flexão de nanocompósitos poliméricos. Pesquisadores da Rice University, Stony Brook University, Radboud University Nijmegen Medical Center e University of California, Riverside demonstraram que os nanotubos de carbono e seus nanocompósitos de polímero são materiais de suporte adequados para engenharia de tecido ósseo e formação óssea.
Os CNTs exibem compatibilidade dimensional e química com biomoléculas, como DNA e proteínas . Os CNTs permitem imagens fluorescentes e fotoacústicas, bem como aquecimento localizado usando radiação infravermelha próxima.
Os biossensores SWNT exibem grandes mudanças na impedância elétrica e nas propriedades ópticas, que normalmente são moduladas pela adsorção de um alvo na superfície do CNT. Limites de detecção baixos e alta seletividade requerem a engenharia da superfície CNT e efeitos de campo, capacitância, mudanças espectrais Raman e fotoluminescência para o projeto do sensor. Os produtos em desenvolvimento incluem tiras de teste impressas para detecção de estrogênio e progesterona , microarrays para detecção de DNA e proteína e sensores para NO
2e troponina cardíaca . Sensores CNT semelhantes oferecem suporte a aplicações ambientais, militares e da indústria alimentícia.
Os CNTs podem ser internalizados pelas células, primeiro ligando suas pontas aos receptores da membrana celular . Isso permite a transfecção de carga molecular anexada às paredes de CNT ou encapsulada por CNTs. Por exemplo, a droga contra o câncer doxorrubicina foi carregada em até 60% em peso em CNTs em comparação com um máximo de 8 a 10% em peso nos lipossomas. A liberação de carga pode ser desencadeada por radiação infravermelha próxima . No entanto, limitar a retenção de CNTs dentro do corpo é fundamental para evitar o acúmulo indesejável.
A toxicidade do CNT continua sendo uma preocupação, embora a biocompatibilidade do CNT possa ser manipulável. O grau de inflamação pulmonar causada pela injeção de SWNTs bem dispersos foi insignificante em comparação com o amianto e com partículas no ar. A aceitação médica dos CNTs requer a compreensão da resposta imune e dos padrões de exposição apropriados para inalação, injeção, ingestão e contato com a pele. As florestas de CNT imobilizadas em um polímero não mostraram elevada resposta inflamatória em ratos em relação aos controles. Os CNTs estão sendo considerados como eletrodos de interface neural de baixa impedância e para revestimento de cateteres para reduzir a trombose .
Fontes de raios-x habilitadas para CNT para imagens médicas também estão em desenvolvimento. Baseando-se nas propriedades exclusivas dos CNTs, os pesquisadores desenvolveram cátodos de emissão de campo que permitem o controle preciso dos raios-X e o posicionamento próximo de fontes múltiplas. As fontes de raios-X habilitadas para CNT foram demonstradas para aplicações pré-clínicas de imagens de pequenos animais e estão atualmente em testes clínicos.
Em novembro de 2012, pesquisadores do Instituto Nacional Americano de Padrões e Tecnologia (NIST) provaram que os nanotubos de carbono de parede única podem ajudar a proteger as moléculas de DNA de danos por oxidação .
Um método altamente eficaz de entrega de nanotubos de carbono nas células é o Cell squeezing , uma plataforma microfluídica livre de vetores de alto rendimento para entrega intracelular desenvolvida no Massachusetts Institute of Technology nos laboratórios de Robert S. Langer .
Além disso, nanotubos de carbono foram cultivados dentro de canais microfluídicos para análises químicas, com base em eletrocromatografia. Aqui, a alta proporção de área de superfície para volume e alta hidrofobicidade de CNTs são usadas a fim de diminuir muito o tempo de análise de pequenas moléculas neutras que normalmente requerem equipamentos grandes e volumosos para análise.
Materiais compostos
Por causa das propriedades mecânicas superiores do nanotubo de carbono, muitas estruturas foram propostas, desde itens do dia a dia, como roupas e equipamentos esportivos, até jaquetas de combate e elevadores espaciais . No entanto, o elevador espacial exigirá mais esforços no refinamento da tecnologia de nanotubos de carbono, uma vez que a resistência à tração prática dos nanotubos de carbono deve ser muito melhorada.
Para uma perspectiva, avanços notáveis já foram feitos. O trabalho pioneiro liderado por Ray H. Baughman no NanoTech Institute mostrou que nanotubos de paredes simples e múltiplas podem produzir materiais com resistência incomparável nos mundos feito pelo homem e natural.
Os nanotubos de carbono também são um material promissor como blocos de construção em materiais compostos hierárquicos, devido às suas propriedades mecânicas excepcionais (~ 1 TPa em módulo e ~ 100 GPa em força). As tentativas iniciais de incorporar CNTs em estruturas hierárquicas (como fios, fibras ou filmes) levaram a propriedades mecânicas que eram significativamente mais baixas do que esses limites potenciais. A integração hierárquica de nanotubos de carbono com paredes múltiplas e óxidos de metal / metal em uma única nanoestrutura pode alavancar a potencialidade do composto de nanotubos de carbono para separação de água e eletrocatálise. Windle et al. usaram um método de fiação de deposição química de vapor (CVD) in situ para produzir fios de CNT contínuos a partir de aerogéis de CNT cultivados em CVD. Os fios de CNT também podem ser fabricados retirando feixes de CNT de uma floresta de CNT e, subsequentemente, torcendo para formar a fibra (método de torção e tração, consulte a imagem à direita). O grupo Windle fabricou fios CNT com resistências de até ~ 9 GPa em pequenos comprimentos de calibre de ~ 1 mm, no entanto, resistências de apenas cerca de ~ 1 GPa foram relatados no comprimento de calibre mais longo de 20 mm. A razão pela qual as resistências da fibra têm sido baixas em comparação com a resistência dos CNTs individuais é devido a uma falha em transferir efetivamente a carga para os CNTs constituintes (descontínuos) dentro da fibra. Uma rota potencial para aliviar este problema é via inter-feixe covalente induzido por irradiação (ou deposição) e reticulação inter-CNT para efetivamente 'juntar' os CNTs, com níveis de dosagem mais altos levando à possibilidade de compósito amorfo de carbono / nanotubo de carbono fibras. Espinosa et al. desenvolveu fios de compósito de polímero DWNT de alto desempenho torcendo e esticando fitas de feixes orientados aleatoriamente de DWNTs finamente revestidos com compostos orgânicos poliméricos. Esses fios de polímero DWNT exibiram uma energia de rutura incomumente alta de ~ 100 J · g -1 (comparável a um dos materiais naturais mais resistentes - seda de aranha) e resistência de até 1,4 GPa. Esforços estão em andamento para produzir compostos de CNT que incorporam materiais de matriz mais resistentes, como Kevlar , para melhorar ainda mais as propriedades mecânicas em relação aos CNTs individuais.
Por causa da alta resistência mecânica dos nanotubos de carbono, pesquisas estão sendo feitas para transformá-los em roupas para criar roupas à prova de facadas e balas. Os nanotubos impediriam efetivamente a penetração da bala no corpo, embora a energia cinética da bala provavelmente causasse ossos quebrados e sangramento interno.
Os nanotubos de carbono também podem permitir tempos de processamento mais curtos e maior eficiência energética durante a cura do composto com o uso de aquecedores estruturados de nanotubos de carbono. A autoclavagem é o 'padrão ouro' para a cura de compósitos, entretanto, ela tem um preço alto e apresenta limitações de tamanho de peça. Os pesquisadores estimam que a cura de uma pequena seção da fuselagem de fibra de carbono / epóxi do Boeing 787 requer 350 GJ de energia e produz 80 toneladas de dióxido de carbono. É aproximadamente a mesma quantidade de energia que nove residências consumiriam em um ano. Além disso, a eliminação das limitações de tamanho das peças elimina a necessidade de unir pequenos componentes compostos para criar estruturas em grande escala. Isso economiza tempo de fabricação e resulta em estruturas de maior resistência.
Aquecedores estruturados de nanotubos de carbono mostram-se promissores na substituição de autoclaves e fornos convencionais para cura de compósitos devido à sua capacidade de atingir altas temperaturas em taxas de rampa rápidas com alta eficiência elétrica e flexibilidade mecânica. Esses aquecedores nanoestruturados podem assumir a forma de um filme e ser aplicados diretamente ao composto. Isso resulta em transferência de calor por condução em oposição à transferência de calor por convecção usada por autoclaves e fornos convencionais. Lee et. al. relataram que apenas 50% da energia térmica introduzida em uma autoclave é transferida para o compósito sendo curado, independentemente do tamanho da peça, enquanto cerca de 90% da energia térmica é transferida em um aquecedor de filme nanoestruturado dependendo do processo.
Lee et al. foram capazes de curar com sucesso compósitos de grau aeroespacial usando um aquecedor de CNT feito por “empurrar em dominó” uma floresta de CNT em um filme de Teflon. Este filme foi então colocado em cima de um layup prepreg OOA de 8 camadas. Isolamento térmico foi incorporado ao redor da montagem. A configuração inteira foi posteriormente ensacada a vácuo e aquecida usando uma fonte de alimentação de 30 Vcc. O grau de cura e os testes mecânicos foram conduzidos para comparar os compósitos curados convencionalmente com sua configuração OOA. Os resultados mostraram que não houve diferença na qualidade do compósito criado. No entanto, a quantidade de energia necessária para curar o composto OOA foi reduzida em duas ordens de magnitude de 13,7 MJ para 118,8 kJ.
Antes que os nanotubos de carbono possam ser usados para curar a fuselagem do Boeing 787, entretanto, um maior desenvolvimento precisa ocorrer. O maior desafio associado à criação de aquecedores estruturados de nanotubos de carbono confiáveis é ser capaz de criar uma dispersão uniforme de nanotubos de carbono em uma matriz de polímero para garantir que o calor seja aplicado uniformemente. A alta área de superfície dos CNTs resulta em fortes forças de Van Der Waals entre os CNTs individuais, fazendo com que eles se aglomerem e produzindo propriedades de aquecimento não uniformes. Além disso, a matriz polimérica escolhida precisa ser cuidadosamente escolhida para que possa suportar as altas temperaturas geradas e os ciclos térmicos repetitivos necessários para curar vários componentes do compósito.
Misturas
Os MWNTs foram usados pela primeira vez como cargas eletricamente condutoras em metais, em concentrações de até 83,78 por cento em peso (% em peso). Os compósitos de polímero MWNT atingem condutividades tão altas quanto 10.000 S m- 1 com 10% em peso de carregamento. Na indústria automotiva, os plásticos CNT são usados na pintura eletrostática assistida de carcaças de espelhos, bem como em linhas de combustível e filtros que dissipam a carga eletrostática . Outros produtos incluem pacotes de blindagem de interferência eletromagnética (EMI) e portadores de wafer de silício.
Para aplicações de suporte de carga, os pós de CNT são misturados com polímeros ou resinas precursoras para aumentar a rigidez, resistência e tenacidade. Essas melhorias dependem do diâmetro do CNT, razão de aspecto, alinhamento, dispersão e interação interfacial. Resinas pré-misturadas e lotes principais empregam cargas de CNT de 0,1 a 20% em peso. O stick-slip em nanoescala entre os CNTs e os contatos do CNT-polímero pode aumentar o amortecimento do material, aprimorando os artigos esportivos, incluindo raquetes de tênis, tacos de beisebol e quadros de bicicletas.
As resinas de CNT aprimoram os compostos de fibra, incluindo lâminas de turbinas eólicas e cascos para barcos de segurança marítima que são feitos aprimorando os compostos de fibra de carbono com resina aprimorada de CNT. Os CNTs são implantados como aditivos nos precursores orgânicos de fibras de carbono mais fortes de 1 μm de diâmetro. Os CNTs influenciam o arranjo do carbono na fibra pirolisada.
Para o desafio de organizar os CNTs em escalas maiores, compostos de fibra hierárquica são criados pelo cultivo de florestas alinhadas em vidro, carboneto de silício (SiC), alumina e fibras de carbono, criando as chamadas fibras "difusas". Tecido fuzzy epóxi CNT-SiC e CNT-alumina mostrou 69% de melhora na abertura de fissuras (modo I) e / ou tenacidade interlaminar ao cisalhamento no plano (modo II). As aplicações sob investigação incluem proteção contra raios, degelo e monitoramento de integridade estrutural de aeronaves.
Os MWNTs podem ser usados como aditivos retardadores de chamas para plásticos devido a mudanças na reologia por carregamento de nanotubos. Esses aditivos podem substituir os retardadores de chama halogenados , que enfrentam restrições ambientais.
Combinações de CNT / concreto oferecem maior resistência à tração e propagação reduzida de trincas .
Buckypaper (agregado de nanotubos) pode melhorar significativamente a resistência ao fogo devido à reflexão de calor eficiente.
Têxteis
Os estudos anteriores sobre o uso de CNTs para funcionalização de têxteis foram focados na fiação de fibras para melhorar as propriedades físicas e mecânicas. Recentemente, uma grande atenção tem sido dada ao revestimento de CNTs em tecidos têxteis. Vários métodos têm sido empregados para modificar tecidos usando CNTs. produziu e-têxteis inteligentes para Biomonitoramento Humano usando um revestimento à base de polieletrólito com CNTs. Além disso, Panhuis et al. material têxtil tingido por imersão em solução de polímero PMAS poli (2-metoxi anilina-5-sulfônico) ou dispersão PMAS-SWNT com condutividade e capacitância aprimoradas com comportamento durável. Em outro estudo, Hu e seus colegas de trabalho revestiram nanotubos de carbono de parede única com um processo simples de "imersão e secagem" para eletrônicos vestíveis e aplicações de armazenamento de energia. No estudo recente, Li e seus colegas de trabalho usaram o separador elastomérico e quase alcançaram um supercapacitor totalmente elástico baseado em macrofilmes de nanotubos de carbono de parede única curvada. O poliuretano eletrofiado foi usado e forneceu boa elasticidade mecânica e toda a célula atingiu uma excelente estabilidade de ciclo de carga-descarga. Os CNTs têm uma estrutura de nanotubo alinhada e uma carga superficial negativa. Portanto, eles têm estruturas semelhantes aos corantes diretos, então o método de exaustão é aplicado para revestir e absorver os CNTs na superfície da fibra para a preparação de tecidos multifuncionais, incluindo propriedades antibacterianas, condutoras de eletricidade, retardantes de chama e absorvância eletromagnética.
Mais tarde, os fios CNT e as folhas laminadas feitas por deposição química direta de vapor (CVD) ou fiação florestal ou métodos de estiramento podem competir com a fibra de carbono para usos de ponta, especialmente em aplicações sensíveis ao peso que requerem funcionalidade elétrica e mecânica combinada. Os fios de pesquisa feitos de CNTs de poucas paredes alcançaram uma rigidez de 357 GPa e uma resistência de 8,8 GPa para um comprimento de medida comparável aos CNTs de milímetros de comprimento dentro do fio. Comprimentos de medida em escala centimétrica oferecem apenas forças gravimétricas de 2 GPa, combinando com o de Kevlar .
Como a probabilidade de uma falha crítica aumenta com o volume, os fios podem nunca atingir a resistência dos CNTs individuais. No entanto, a alta área de superfície do CNT pode fornecer acoplamento interfacial que atenua essas deficiências. Os fios CNT podem ser amarrados sem perda de resistência. O revestimento de folhas de CNT trefiladas por floresta com pó funcional antes de inserir a torção produz fios tecíveis, trançáveis e costuráveis contendo até 95% em peso de pó. Os usos incluem fios supercondutores, eletrodos de bateria e célula de combustível e têxteis autolimpantes.
As fibras ainda impraticáveis de SWNTs alinhados podem ser feitas por fiação baseada em coagulação de suspensões de CNT. SWNTs mais baratos ou MWNTs girados são necessários para a comercialização. Os nanotubos de carbono podem ser dissolvidos em superácidos , como o ácido fluorossulfúrico, e transformados em fibras na fiação úmida a jato seco.
Os fios de compósito de polímero DWNT foram feitos torcendo e esticando fitas de feixes orientados aleatoriamente de DWNTs finamente revestidos com compostos orgânicos poliméricos.
Armadura corporal - jaquetas de combate A Universidade de Cambridge desenvolveu as fibras e licenciou uma empresa para produzi-las. Em comparação, a fibra resistente a balas Kevlar falha em 27–33 J / g.
Músculos sintéticos oferecem alta taxa de contração / extensão dada uma corrente elétrica.
SWNT estão em uso como um material experimental para painéis de pontes estruturais removíveis.
Em 2015, os pesquisadores incorporaram CNTs e grafeno na seda da aranha , aumentando sua força e tenacidade para um novo recorde. Eles borrifaram 15 aranhas Pholcidae com água contendo os nanotubos ou flocos. A seda resultante tinha uma resistência à fratura de até 5,4 GPa , um módulo de Young de até 47,8 GPa e um módulo de tenacidade de até 2,1 GPa, superando as fibras poliméricas sintéticas de alto desempenho (por exemplo, Kevlar49 ) e as fibras com nós.
Molas de nanotubos de carbono
As "florestas" de molas MWNT alongadas e alinhadas podem atingir uma densidade de energia 10 vezes maior do que as molas de aço, oferecendo durabilidade de ciclagem, insensibilidade à temperatura, sem descarga espontânea e taxa de descarga arbitrária. Espera-se que as florestas SWNT sejam capazes de armazenar muito mais do que MWNTs.
Ligas
Adicionar pequenas quantidades de CNTs aos metais aumenta a resistência à tração e o módulo com potencial em estruturas aeroespaciais e automotivas. Os compósitos comerciais de alumínio-MWNT têm resistência comparável ao aço inoxidável (0,7 a 1 GPa) a um terço da densidade (2,6 g cm- 3 ), comparável às ligas de alumínio-lítio mais caras.
Revestimentos e filmes
Os CNTs podem servir como um material de revestimento multifuncional. Por exemplo, misturas de tinta / MWNT podem reduzir a incrustação biológica de cascos de navios, desencorajando a fixação de algas e cracas . Eles são uma alternativa possível às tintas contendo biocidas prejudiciais ao meio ambiente. A mistura de CNTs em revestimentos anticorrosivos para metais pode aumentar a rigidez e a resistência do revestimento e fornecer um caminho para proteção catódica.
Os CNTs fornecem uma alternativa menos cara ao ITO para uma variedade de dispositivos de consumo. Além do custo, os condutores transparentes e flexíveis do CNT oferecem uma vantagem sobre os revestimentos ITO quebradiços para telas flexíveis. Os condutores de CNT podem ser depositados a partir da solução e padronizados por métodos como a impressão em tela. Os filmes SWNT oferecem 90% de transparência e uma resistividade de folha de 100 ohm por quadrado. Esses filmes estão em desenvolvimento para aquecedores de filme fino, como para descongelar janelas ou calçadas.
Florestas de nanotubos de carbono e espumas também podem ser revestidas com uma variedade de materiais diferentes para alterar sua funcionalidade e desempenho. Os exemplos incluem CNTs revestidos de silício para criar baterias flexíveis com alta densidade de energia, revestimentos de grafeno para criar aerogéis altamente elásticos e revestimentos de carboneto de silício para criar um material estrutural forte para arquiteturas 3D-micro de alta proporção de aspecto robustas.
Há uma ampla variedade de métodos de como os CNTs podem ser formados em revestimentos e filmes.
Detectores óticos de potência
Uma mistura spray-on de nanotubos de carbono e cerâmica demonstra capacidade sem precedentes de resistir a danos enquanto absorve a luz do laser. Esses revestimentos que absorvem a energia de lasers de alta potência sem quebrar são essenciais para detectores de potência óptica que medem a saída de tais lasers. Eles são usados, por exemplo, em equipamentos militares para desativar minas não detonadas. O composto consiste em nanotubos de carbono com várias paredes e uma cerâmica feita de silício, carbono e nitrogênio. A inclusão de boro aumenta a temperatura de decomposição. Os nanotubos e o carbono semelhante ao grafeno transmitem bem o calor, enquanto a cerâmica resistente à oxidação aumenta a resistência a danos. A criação do revestimento envolve a dispersão dos nanotubos em tolueno , ao qual foi adicionado um polímero líquido transparente contendo boro. A mistura foi aquecida a 1.100 ° C (2.010 ° F). O resultado é esmagado em um pó fino, disperso novamente em tolueno e pulverizado em uma camada fina sobre uma superfície de cobre. O revestimento absorveu 97,5 por cento da luz de um laser infravermelho distante e tolerou 15 quilowatts por centímetro quadrado por 10 segundos. A tolerância a danos é cerca de 50 por cento maior do que revestimentos semelhantes, por exemplo, nanotubos sozinhos e tinta de carbono.
Absorção de radar
Os radares funcionam na faixa de frequência de microondas, que pode ser absorvida por MWNTs. Aplicar os MWNTs à aeronave faria com que o radar fosse absorvido e, portanto, pareceria ter uma seção transversal menor . Uma dessas aplicações poderia ser pintar os nanotubos no avião. Recentemente, houve alguns trabalhos realizados na Universidade de Michigan sobre a utilidade dos nanotubos de carbono como tecnologia furtiva em aeronaves. Foi descoberto que, além das propriedades de absorção de radar, os nanotubos não refletem nem espalham a luz visível, tornando-o essencialmente invisível à noite, muito parecido com pintar uma aeronave stealth atual de preto, mas muito mais eficaz. As limitações atuais na fabricação, no entanto, significam que a produção atual de aeronaves revestidas com nanotubos não é possível. Uma teoria para superar essas limitações atuais é cobrir pequenas partículas com os nanotubos e suspender as partículas cobertas por nanotubos em um meio como tinta, que pode então ser aplicado a uma superfície, como uma aeronave stealth.
Em 2010, a Lockheed Martin Corporation solicitou uma patente para esse tipo de material absorvente de radar baseado em CNT, que foi reatribuído e concedido à Applied NanoStructure Solutions, LLC em 2012. Alguns acreditam que este material está incorporado no F-35 Lightning II .
Microeletrônica
Transistores baseados em nanotubos , também conhecidos como transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono (CNTFETs), foram feitos para operar em temperatura ambiente e serem capazes de comutação digital usando um único elétron. No entanto, um grande obstáculo para a realização de nanotubos tem sido a falta de tecnologia para produção em massa. Em 2001, pesquisadores da IBM demonstraram como os nanotubos metálicos podem ser destruídos, deixando os semicondutores para serem usados como transistores. Seu processo é chamado de "destruição construtiva", que inclui a destruição automática de nanotubos defeituosos no wafer . Esse processo, no entanto, só dá controle sobre as propriedades elétricas em escala estatística.
SWNTs são atraentes para transistores por causa de seu baixo espalhamento de elétrons e seu bandgap. Os SWNTs são compatíveis com arquiteturas de transistor de efeito de campo (FET) e dielétricos de alto k. Apesar do progresso após o aparecimento do transistor CNT em 1998, incluindo um FET de tunelamento com uma oscilação subliminar de <60 mV por década (2004), um rádio (2007) e um FET com comprimento de canal sub-10 nm e uma densidade de corrente normalizada de 2,41 mA μm −1 a 0,5 V, maiores do que os obtidos para dispositivos de silício.
No entanto, o controle de diâmetro, quiralidade, densidade e posicionamento permanece insuficiente para a produção comercial. Dispositivos menos exigentes de dezenas a milhares de SWNTs são mais práticos imediatamente. O uso de matrizes / transistor CNT aumenta a corrente de saída e compensa defeitos e diferenças quirais, melhorando a uniformidade e reprodutibilidade do dispositivo. Por exemplo, transistores usando matrizes de CNT alinhadas horizontalmente alcançaram mobilidades de 80 cm 2 V −1 s −1 , inclinações subliminares de 140 mV por década e relações liga / desliga tão altas quanto 10 5 . Os métodos de deposição de filme CNT permitem a fabricação de semicondutores convencionais de mais de 10.000 dispositivos CNT por chip.
Os transistores de filme fino de CNT impressos (TFTs) são atrativos para a condução de visores orgânicos de díodos emissores de luz , mostrando maior mobilidade do que o silício amorfo (~ 1 cm 2 V -1 s -1 ) e podem ser depositados por métodos de baixa temperatura e não a vácuo. TFTs CNT flexíveis com uma mobilidade de 35 cm 2 V −1 s −1 e uma relação liga / desliga de 6 × 10 6 foram demonstrados. Um CNT FET vertical mostrou saída de corrente suficiente para acionar OLEDs em baixa tensão, permitindo a emissão de vermelho-verde-azul por meio de uma rede CNT transparente. Os CNTs estão sendo considerados para etiquetas de identificação por radiofrequência . A retenção seletiva de SWNTs semicondutores durante o spin-coating e a sensibilidade reduzida a adsorbatos foram demonstradas.
O International Technology Roadmap for Semiconductors sugere que os CNTs poderiam substituir as interconexões de Cu em circuitos integrados, devido ao seu baixo espalhamento, alta capacidade de transporte de corrente e resistência à eletromigração. Para isso, são necessárias vias compreendendo CNTs metálicos compactados (> 10 13 cm -2 ) com baixa densidade de defeito e baixa resistência de contato. Recentemente, semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) -compatíveis com interconexões de 150 nm de diâmetro com uma única resistência de furo de contato de CNT de 2,8 kOhm foram demonstrados em wafers completos de 200 mm de diâmetro. Além disso, como um substituto para saliências de solda, os CNTs podem funcionar como condutores elétricos e dissipadores de calor para uso em amplificadores de alta potência.
Por último, um conceito para uma memória não volátil com base em interruptores eletromecânicos de barra transversal de CNT individuais foi adaptado para comercialização padronizando filmes finos de CNT emaranhados como os elementos funcionais. Isso exigiu o desenvolvimento de suspensões de CNT ultrapuras que podem ser revestidas por centrifugação e processadas em ambientes industriais de sala limpa e, portanto, são compatíveis com os padrões de processamento CMOS.
Transistores
Os transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono (CNTFETs) podem operar em temperatura ambiente e são capazes de comutação digital usando um único elétron . Em 2013, foi demonstrado um circuito lógico CNT que pode realizar um trabalho útil. Os principais obstáculos para a microeletrônica baseada em nanotubos incluem a ausência de tecnologia para produção em massa , densidade de circuito, posicionamento de contatos elétricos individuais, pureza da amostra, controle sobre o comprimento, quiralidade e alinhamento desejado, orçamento térmico e resistência de contato.
Um dos principais desafios era regular a condutividade. Dependendo das características sutis da superfície, um nanotubo pode atuar como condutor ou semicondutor .
Outra maneira de fazer transistores de nanotubos de carbono tem sido usar redes aleatórias deles. Fazendo isso, calcula-se a média de todas as diferenças elétricas e pode-se produzir dispositivos em grande escala no nível do wafer. Essa abordagem foi patenteada pela Nanomix Inc. (data do pedido original, junho de 2002). Foi publicado pela primeira vez na literatura acadêmica pelo Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos em 2003 por meio de um trabalho de pesquisa independente. Essa abordagem também permitiu que a Nanomix fizesse o primeiro transistor em um substrato flexível e transparente.
Uma vez que o caminho livre médio do elétron em SWCNTs pode exceder 1 micrômetro, os CNTFETs de canal longo exibem características de transporte quase balísticas , resultando em altas velocidades. Os dispositivos CNT são projetados para operar na faixa de frequência de centenas de gigahertz.
Os nanotubos podem ser cultivados em nanopartículas de metal magnético ( Fe , Co ) que facilita a produção de dispositivos eletrônicos ( spintrônicos ). Em particular, o controle da corrente através de um transistor de efeito de campo por campo magnético foi demonstrado em tal nanoestrutura de tubo único.
História
Em 2001, pesquisadores da IBM demonstraram como os nanotubos metálicos podem ser destruídos, deixando os nanotubos semicondutores para uso como componentes. Usando "destruição construtiva", eles destruíram nanotubos defeituosos no wafer . Esse processo, entretanto, só dá controle sobre as propriedades elétricas em escala estatística. Em 2003, foram relatados transistores balísticos de temperatura ambiente com contatos ôhmicos de metal e dielétrico high-k gate , mostrando 20-30x mais corrente do que os MOSFETs de silício de última geração . O paládio é um metal de alta função que demonstrou exibir contatos Schottky sem barreira para nanotubos semicondutores com diâmetros> 1,7 nm.
O potencial dos nanotubos de carbono foi demonstrado em 2003, quando os transistores balísticos de temperatura ambiente com contatos ôhmicos de metal e dielétricos high-k gate foram relatados, mostrando uma corrente ON 20-30x maior do que os MOSFETs de Si de última geração . Isso representou um importante avanço no campo, já que o CNT mostrou potencialmente superar o Si. Na época, um grande desafio era a formação de contato de metal ôhmico. A este respeito, o paládio , que é um metal de alta função de trabalho, mostrou exibir contatos Schottky sem barreira para nanotubos semicondutores com diâmetros> 1,7 nm.
O primeiro circuito de memória integrada de nanotubos foi feito em 2004. Um dos principais desafios tem sido regular a condutividade dos nanotubos. Dependendo das características sutis da superfície, um nanotubo pode atuar como um condutor simples ou semicondutor. No entanto, foi desenvolvido um método totalmente automatizado para remover tubos não semicondutores.
Em 2013, os pesquisadores demonstraram um protótipo de computador em escala micrométrica completo de Turing . Os transistores de nanotubos de carbono como circuitos de porta lógica com densidades comparáveis à moderna tecnologia CMOS ainda não foram demonstrados.
Em 2014, redes de nanotubos de carbono semicondutores purificados foram usadas como o material ativo em transistores de filme fino do tipo p . Eles foram criados usando impressoras 3-D usando métodos de jato de tinta ou rotogravura em substratos flexíveis, incluindo poliimida e polietileno (PET) e substratos transparentes, como vidro. Esses transistores exibem confiavelmente altas mobilidades (> 10 cm 2 V −1 s −1 ) e relações ON / OFF (> 1000), bem como tensões de limiar abaixo de 5 V. Eles oferecem densidade de corrente e baixo consumo de energia, bem como estabilidade ambiental e flexibilidade mecânica. A histerese nas maldições de corrente-voltagem, bem como a variabilidade na voltagem limite, ainda precisam ser resolvidas.
Em 2015, pesquisadores anunciaram uma nova forma de conectar fios a SWNTs que permite continuar encolhendo a largura dos fios sem aumentar a resistência elétrica. Esperava-se que o avanço reduzisse o ponto de contato entre os dois materiais para apenas 40 átomos de largura e, posteriormente, menos. Os tubos se alinham em fileiras regularmente espaçadas em wafers de silício. Simulações indicaram que os projetos podem ser otimizados para alto desempenho ou baixo consumo de energia. Dispositivos comerciais não eram esperados até a década de 2020.
Gerenciamento termal
Grandes estruturas de nanotubos de carbono podem ser usadas para gerenciamento térmico de circuitos eletrônicos. Uma camada de nanotubo de carbono de aproximadamente 1 mm de espessura foi usada como um material especial para fabricar resfriadores, este material tem densidade muito baixa, cerca de 20 vezes menor do que uma estrutura de cobre semelhante, enquanto as propriedades de resfriamento são semelhantes para os dois materiais.
Buckypaper possui características próprias para uso como dissipador de calor para aglomerados, retroiluminação para telas LCD ou como gaiola de faraday .
Células solares
Uma das aplicações promissoras dos nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs) é seu uso em painéis solares, devido às suas fortes características de absorção de UV / Vis-NIR. A pesquisa mostrou que eles podem fornecer um aumento considerável na eficiência, mesmo em seu estado atual não otimizado. As células solares desenvolvidas no New Jersey Institute of Technology usam um complexo de nanotubos de carbono, formado por uma mistura de nanotubos de carbono e fulerenos de carbono (conhecidos como fulerenos ) para formar estruturas semelhantes a cobras. Buckyballs prendem elétrons, mas não podem fazer os elétrons fluírem. Adicione luz solar para excitar os polímeros e os fulerenos agarrarão os elétrons. Nanotubos, se comportando como fios de cobre, serão então capazes de fazer os elétrons ou a corrente fluirem.
Pesquisas adicionais foram conduzidas na criação de painéis solares híbridos SWNT para aumentar ainda mais a eficiência. Esses híbridos são criados pela combinação de SWNTs com doadores de elétrons foto-excitáveis para aumentar o número de elétrons gerados. Verificou-se que a interação entre a porfirina fotoexcitada e SWNT gera pares de eletro-orifícios nas superfícies SWNT. Esse fenômeno já foi observado experimentalmente e contribui praticamente para um aumento de eficiência de até 8,5%.
Os nanotubos podem substituir o óxido de índio e estanho em células solares como um filme condutor transparente em células solares para permitir que a luz passe para as camadas ativas e gere fotocorrente.
Os CNTs em células solares orgânicas ajudam a reduzir a perda de energia (recombinação de portadores) e aumentam a resistência à fotooxidação. As tecnologias fotovoltaicas podem algum dia incorporar heterojunções de CNT-Silício para alavancar a geração eficiente de múltiplos excitons em junções pn formadas dentro de CNTs individuais. A curto prazo, os fotovoltaicos comerciais podem incorporar eletrodos SWNT transparentes.
Armazenamento de hidrogênio
Além de ser capaz de armazenar energia elétrica, tem havido algumas pesquisas no uso de nanotubos de carbono para armazenar hidrogênio a ser usado como fonte de combustível. Aproveitando os efeitos capilares dos pequenos nanotubos de carbono, é possível condensar gases em alta densidade dentro de nanotubos de parede simples. Isso permite que os gases, mais notavelmente o hidrogênio (H 2 ), sejam armazenados em altas densidades sem serem condensados em um líquido. Potencialmente, esse método de armazenamento poderia ser usado em veículos no lugar de tanques de combustível a gás para um carro movido a hidrogênio. Uma questão atual em relação aos veículos movidos a hidrogênio é o armazenamento de combustível a bordo. Os métodos de armazenamento atuais envolvem resfriar e condensar o gás H 2 em um estado líquido para armazenamento, o que causa uma perda de energia potencial (25–45%) quando comparada à energia associada ao estado gasoso. O armazenamento usando SWNTs permitiria manter o H2 em seu estado gasoso, aumentando assim a eficiência do armazenamento. Este método permite uma relação de volume para energia ligeiramente menor do que os atuais veículos movidos a gás, permitindo um alcance um pouco menor, mas comparável.
Uma área de controvérsia e experimentação frequente a respeito do armazenamento de hidrogênio por adsorção em nanotubos de carbono é a eficiência com que esse processo ocorre. A eficácia do armazenamento de hidrogênio é essencial para seu uso como fonte primária de combustível, uma vez que o hidrogênio contém apenas cerca de um quarto da energia por unidade de volume da gasolina. Estudos, no entanto, mostram que o mais importante é a área de superfície dos materiais usados. Portanto, o carvão ativado com área superficial de 2600 m2 / g pode armazenar até 5,8% p / p. Em todos esses materiais carbonosos, o hidrogênio é armazenado por fisissorção a 70-90K.
Capacidade experimental
Um experimento buscou determinar a quantidade de hidrogênio armazenado em CNTs, utilizando a análise de detecção de recuo elástico (ERDA). Os CNTs (principalmente SWNTs) foram sintetizados por meio de disposição química de vapor (CVD) e submetidos a um processo de purificação de dois estágios, incluindo oxidação do ar e tratamento com ácido, em seguida, formados em discos uniformes e planos e expostos a hidrogênio pressurizado puro em várias temperaturas. Quando os dados foram analisados, descobriu-se que a capacidade dos CNTs de armazenar hidrogênio diminuiu com o aumento da temperatura. Além disso, a maior concentração de hidrogênio medida foi ~ 0,18%; significativamente menor do que o armazenamento de hidrogênio comercialmente viável precisa ser. Um trabalho experimental separado realizado usando um método gravimétrico também revelou que a capacidade máxima de absorção de hidrogênio dos CNTs é tão baixa quanto 0,2%.
Em outro experimento, os CNTs foram sintetizados via CVD e sua estrutura foi caracterizada por espectroscopia Raman . Utilizando digestão por microondas , as amostras foram expostas a diferentes concentrações de ácido e diferentes temperaturas por vários períodos de tempo na tentativa de encontrar o método de purificação ideal para SWNTs do diâmetro determinado anteriormente. As amostras purificadas foram então expostas a gás hidrogênio em várias altas pressões, e sua adsorção por porcentagem em peso foi plotada. Os dados mostraram que níveis de adsorção de hidrogênio de até 3,7% são possíveis com uma amostra muito pura e nas condições adequadas. Pensa-se que a digestão por microondas ajuda a melhorar a capacidade de adsorção de hidrogênio dos CNTs ao abrir as extremidades, permitindo o acesso às cavidades internas dos nanotubos.
Limitações na adsorção eficiente de hidrogênio
O maior obstáculo para o armazenamento eficiente de hidrogênio usando CNTs é a pureza dos nanotubos. Para atingir a adsorção máxima de hidrogênio, deve haver um mínimo de grafeno , carbono amorfo e depósitos metálicos na amostra de nanotubo. Os métodos atuais de síntese de CNT requerem uma etapa de purificação. Porém, mesmo com nanotubos puros, a capacidade de adsorção só é maximizada sob altas pressões, o que é indesejável em tanques de combustível comerciais.
Componentes eletrônicos
Várias empresas estão desenvolvendo filmes e nanobuds de CNT eletricamente condutores transparentes para substituir o óxido de estanho e índio (ITO) em LCDs, telas sensíveis ao toque e dispositivos fotovoltaicos. Os filmes nanotubos são promissores para uso em monitores de computadores, telefones celulares, assistentes digitais pessoais e caixas eletrônicos . Os diodos CNT exibem um efeito fotovoltaico .
Nanotubos de paredes múltiplas ( MWNT revestidos com magnetita ) podem gerar campos magnéticos fortes. Avanços recentes mostram que o MWNT decorado com nanopartículas de maghemita pode ser orientado em um campo magnético e aumentar as propriedades elétricas do material compósito na direção do campo para uso em escovas de motor elétrico .
Uma camada de nanotubos de parede única enriquecidos com 29% de ferro ( SWNT ) colocada no topo de uma camada de material explosivo como o PETN pode ser acesa com um flash de câmera comum.
Os CNTs podem ser usados como canhões de elétrons em tubos de raios catódicos em miniatura (CRT) em monitores de alto brilho, baixa energia e baixo peso. Uma tela consistiria em um grupo de minúsculos CRTs, cada um fornecendo os elétrons para iluminar o fósforo de um pixel , em vez de ter um CRT cujos elétrons são direcionados usando campos elétricos e magnéticos . Esses visores são conhecidos como visores de emissão de campo (FEDs).
Os CNTs podem atuar como antenas para rádios e outros dispositivos eletromagnéticos .
Os CNTs condutores são usados em escovas para motores elétricos comerciais. Eles substituem o negro de fumo tradicional . Os nanotubos melhoram a condutividade elétrica e térmica porque se estendem pela matriz plástica do pincel. Isso permite que o enchimento de carbono seja reduzido de 30% para 3,6%, de modo que mais matriz esteja presente na escova. As escovas de motor compostas de nanotubos são melhor lubrificadas (da matriz), funcionamento mais frio (tanto para melhor lubrificação e condutividade térmica superior), menos quebradiças (mais matriz e reforço de fibra), mais fortes e moldáveis com mais precisão (mais matriz). Como as escovas são um ponto crítico de falha em motores elétricos e também não precisam de muito material, elas se tornaram econômicas antes de quase qualquer outra aplicação.
Os fios para transportar a corrente elétrica podem ser fabricados a partir de nanotubos e compostos de nanotubo-polímero. Pequenos fios foram fabricados com condutividade específica excedendo cobre e alumínio; os cabos não metálicos de mais alta condutividade.
O CNT está sendo investigado como uma alternativa aos filamentos de tungstênio em lâmpadas incandescentes .
Interconexões
Nanotubos de carbono metálico têm despertado interesse de pesquisa por sua aplicabilidade como interconexões de integração em escala muito grande (VLSI) devido à sua alta estabilidade térmica , alta condutividade térmica e grande capacidade de condução de corrente . Um CNT isolado pode carregar densidades de corrente superiores a 1000 MA / cm 2 sem danos, mesmo a uma temperatura elevada de 250 ° C (482 ° F), eliminando os problemas de confiabilidade da eletromigração que afetam as interconexões de Cu . Um trabalho de modelagem recente comparando os dois mostrou que as interconexões de feixes de CNT podem oferecer vantagens sobre o cobre. Experimentos recentes demonstraram resistências tão baixas quanto 20 Ohms usando diferentes arquiteturas, medições detalhadas de condutância em uma ampla faixa de temperatura mostraram concordar com a teoria para um condutor quase unidimensional fortemente desordenado.
As interconexões híbridas que empregam vias CNT em conjunto com as interconexões de cobre podem oferecer vantagens do ponto de vista de confiabilidade / gerenciamento térmico. Em 2016, a União Europeia financiou um projeto de quatro milhões de euros ao longo de três anos para avaliar a capacidade de fabricação e o desempenho de interconexões compostas empregando CNT e interconexões de cobre. O projeto denominado CONNECT (CarbON Nanotube compositE InterconneCTs) envolve os esforços conjuntos de sete parceiros europeus de pesquisa e indústria em técnicas e processos de fabricação para permitir nanotubos de carbono confiáveis para interconexões on-chip na produção de microchip ULSI.
Cabos e fios elétricos
Os fios para transportar a corrente elétrica podem ser fabricados a partir de nanotubos puros e compostos de nanotubo-polímero. Já foi demonstrado que os fios de nanotubos de carbono podem ser usados com sucesso para energia ou transmissão de dados. Recentemente, pequenos fios foram fabricados com condutividade específica excedendo o cobre e o alumínio; esses cabos são o nanotubo de carbono de maior condutividade e também cabos não metálicos de maior condutividade. Recentemente, foi demonstrado que compostos de nanotubo de carbono e cobre exibem capacidade de transporte de corrente quase cem vezes maior do que cobre ou ouro puro. Significativamente, a condutividade elétrica de tal composto é semelhante ao Cu puro. Assim, este composto de cobre-nanotubo de carbono (CNT-Cu) possui a maior capacidade de transporte de corrente observada entre os condutores elétricos. Assim, para uma dada seção transversal do condutor elétrico, o composto CNT-Cu pode suportar e transportar uma corrente cem vezes maior em comparação com metais como cobre e ouro.
Armazenamento de energia por trás do CNT
O uso de CNTs como suporte de catalisador em células de combustível pode reduzir potencialmente o uso de platina em 60% em comparação com o negro de fumo. Os CNTs dopados podem permitir a eliminação completa de Pt.
Supercapacitor
O Laboratório de Pesquisa Eletrônica do MIT usa nanotubos para melhorar os supercapacitores . O carvão ativado usado em ultracapacitores convencionais tem muitos pequenos espaços ocos de vários tamanhos, que criam juntos uma grande superfície para armazenar carga elétrica. Mas como a carga é quantizada em cargas elementares, ou seja, elétrons, e cada carga elementar precisa de um espaço mínimo, uma fração significativa da superfície do eletrodo não está disponível para armazenamento porque os espaços ocos não são compatíveis com os requisitos da carga. Com um eletrodo de nanotubo, os espaços podem ser ajustados ao tamanho - poucos muito grandes ou muito pequenos - e, conseqüentemente, a capacidade deve ser aumentada consideravelmente.
Um supercapacitor de 40 F com uma tensão máxima de 3,5 V que empregava SWNTs cultivados na floresta que são livres de aglutinantes e aditivos alcançou uma densidade de energia de 15,6 Wh kg- 1 e uma densidade de energia de 37 kW kg -1 . Os CNTs podem ser ligados às placas de carga dos capacitores para aumentar drasticamente a área de superfície e, portanto, a densidade de energia .
Baterias
As excitantes propriedades eletrônicas dos nanotubos de carbono (CNTs) têm se mostrado promissoras no campo das baterias, onde normalmente estão sendo experimentados como um novo material de eletrodo, particularmente o ânodo para baterias de íon de lítio. Isso se deve ao fato de que o ânodo requer uma capacidade reversível relativamente alta em um potencial próximo ao lítio metálico, e uma capacidade irreversível moderada, observada até o momento apenas em compósitos à base de grafite, como os CNTs. Eles demonstraram melhorar muito a capacidade e a ciclabilidade das baterias de íon-lítio , bem como a capacidade de serem componentes de buffer muito eficazes, aliviando a degradação das baterias que normalmente ocorre devido a repetidas cargas e descargas. Além disso, o transporte eletrônico no ânodo pode ser muito melhorado usando CNTs altamente metálicos.
Mais especificamente, os CNTs mostraram capacidades reversíveis de 300 a 600 mAhg −1 , com alguns tratamentos para eles mostrando que esses números aumentaram para até 1000 mAhg −1 . Enquanto isso, o grafite , que é mais amplamente usado como um material de ânodo para essas baterias de lítio, mostrou capacidades de apenas 320 mAhg -1 . Ao criar compostos a partir dos CNTs, os cientistas veem muito potencial no aproveitamento dessas capacidades excepcionais, bem como de sua excelente resistência mecânica, condutividades e baixas densidades.
MWNTs são usados em cátodos de baterias de íon de lítio . Nessas baterias, pequenas quantidades de pó de MWNT são misturadas com materiais ativos e um aglutinante de polímero, como 1% em peso de CNT carregado em LiCoO
2 cátodos e ânodos de grafite . Os CNTs fornecem conectividade elétrica e integridade mecânica aumentadas, o que aumenta a capacidade da taxa e o ciclo de vida.
Baterias de papel
Uma bateria de papel é uma bateria projetada para usar uma folha fina de celulose (que é o principal constituinte do papel comum, entre outras coisas) infundida com nanotubos de carbono alinhados. O potencial para esses dispositivos é grande, pois eles podem ser fabricados por meio de um processo rolo a rolo , o que o tornaria muito barato, e seriam leves, flexíveis e finos. Para usar produtos eletrônicos de papel (ou quaisquer dispositivos eletrônicos finos) de forma produtiva, a fonte de alimentação deve ser igualmente fina, indicando a necessidade de baterias de papel. Recentemente, foi demonstrado que superfícies revestidas com CNTs podem ser usadas para substituir metais pesados em baterias. Mais recentemente, baterias de papel funcionais foram demonstradas, em que uma bateria de íon-lítio é integrada em uma única folha de papel por meio de um processo de laminação como um composto com Li4Ti5O12 (LTO) ou LiCoO2 (LCO). O substrato de papel funcionaria bem como o separador da bateria, onde os filmes de CNT funcionam como os coletores de corrente para o ânodo e o cátodo. Esses dispositivos de energia recarregáveis mostram potencial em etiquetas RFID , embalagens funcionais ou novas aplicações eletrônicas descartáveis.
Melhorias também foram mostradas em baterias de chumbo-ácido, com base em pesquisas realizadas pela Bar-Ilan University usando SWCNT de alta qualidade fabricado pela OCSiAl . O estudo demonstrou um aumento na vida útil das baterias de chumbo em 4,5 vezes e um aumento de capacidade de 30% em média e de até 200% em altas taxas de descarga.
Químico
O CNT pode ser usado para dessalinização . As moléculas de água podem ser separadas do sal, forçando-as através de redes de nanotubos eletroquimicamente robustas com porosidade controlada em nanoescala. Este processo requer pressões muito mais baixas do que os métodos convencionais de osmose reversa . Em comparação com uma membrana simples, ela opera a uma temperatura 20 ° C mais baixa e a uma taxa de fluxo 6x maior. Membranas usando CNTs alinhados e encapsulados com extremidades abertas permitem o fluxo através do interior dos CNTs. SWNTs de diâmetro muito pequeno são necessários para rejeitar o sal em concentrações de água do mar. Filtros portáteis contendo malhas de CNT podem purificar água potável contaminada. Essas redes podem oxidar eletroquimicamente contaminantes orgânicos, bactérias e vírus.
As membranas de CNT podem filtrar o dióxido de carbono das emissões da usina.
O CNT pode ser preenchido com moléculas biológicas, auxiliando na biotecnologia .
O CNT tem potencial para armazenar entre 4,2 e 65% de hidrogênio por peso. Se eles pudessem ser produzidos em massa economicamente, 13,2 litros (2,9 imp gal; 3,5 US gal) de CNT poderiam conter a mesma quantidade de energia que um tanque de gasolina de 50 litros (11 imp gal; 13 US gal).
Os CNTs podem ser usados para produzir nanofios de outros elementos / moléculas, como ouro ou óxido de zinco . Os nanofios, por sua vez, podem ser usados para fundir nanotubos de outros materiais, como o nitreto de gálio . Eles podem ter propriedades muito diferentes dos CNTs - por exemplo, os nanotubos de nitreto de gálio são hidrofílicos , enquanto os CNTs são hidrofóbicos , o que lhes dá possíveis usos em química orgânica.
Mecânico
Os osciladores baseados em CNT alcançaram velocidades de> 50 GHz .
As propriedades elétricas e mecânicas do CNT os sugerem como alternativas aos atuadores elétricos tradicionais.
Atuadores
As propriedades elétricas e mecânicas excepcionais dos nanotubos de carbono os tornaram alternativas aos atuadores elétricos tradicionais para aplicações microscópicas e macroscópicas. Os nanotubos de carbono são ótimos condutores de eletricidade e calor, e também são moléculas muito fortes e elásticas em certas direções.
Alto-falante
Nanotubos de carbono também têm sido aplicados na acústica (como alto-falante e fone de ouvido). Em 2008, foi mostrado que uma folha de nanotubos pode funcionar como um alto-falante se uma corrente alternada for aplicada. O som não é produzido por vibração, mas termoacusticamente . Em 2013, um fone de ouvido termoacústico de fio fino de nanotubo de carbono (CNT) junto com chip termoacústico de fio fino de CNT foi demonstrado por um grupo de pesquisa do Centro de Pesquisa em Nanotecnologia Tsinghua-Foxconn na Universidade de Tsinghua, usando um processo de fabricação compatível com tecnologia de semicondutor à base de Si.
Os usos comerciais de curto prazo incluem a substituição de alto-falantes piezoelétricos em cartões comemorativos .
Ótico
- Veja aplicações adicionais em: Propriedades ópticas de nanotubos de carbono
- Fotoluminescência de nanotubos de carbono (fluorescência) pode ser usada para observar espécies de nanotubos de carbono semicondutores de parede única. Mapas de fotoluminescência, feitos pela aquisição da emissão e varredura da energia de excitação, podem facilitar a caracterização da amostra.
- A fluorescência do nanotubo está sob investigação para imagens e sensores biomédicos.
- A refletividade do papel de bucky produzido com deposição de vapor químico de " supercrescimento " é de 0,03 ou menos, permitindo ganhos de desempenho para detectores infravermelhos piroelétricos .
De Meio Ambiente
Remediação ambiental
Uma esponja nanoestruturada de CNT (nanoesponja) contendo enxofre e ferro é mais eficaz para absorver contaminantes da água, como óleo, fertilizantes, pesticidas e produtos farmacêuticos. Suas propriedades magnéticas os tornam mais fáceis de serem recuperados após a conclusão do trabalho de limpeza. O enxofre e o ferro aumentam o tamanho da esponja para cerca de 2 centímetros (0,79 pol.). Também aumenta a porosidade devido a defeitos benéficos, criando flutuabilidade e reutilização. O ferro, na forma de ferroceno, facilita o controle da estrutura e possibilita a recuperação por meio de ímãs. Essas nanoesponjas aumentam a absorção do solvente orgânico tóxico diclorobenzeno da água em 3,5 vezes. As esponjas podem absorver óleo vegetal até 150 vezes seu peso inicial e também podem absorver óleo de motor .
Anteriormente, uma nanoesponja MWNT dopada com boro magnético que poderia absorver o óleo da água. A esponja foi cultivada como uma floresta em um substrato por meio de disposição química de vapor. O boro cria dobras e cotovelos nos tubos à medida que crescem e promove a formação de ligações covalentes . As nanoesponjas retêm sua propriedade elástica após 10.000 compressões no laboratório. As esponjas são superhidrofóbicas , forçando-as a permanecer na superfície da água e oleofílicas, atraindo óleo para elas.
Tratamento de água
Foi demonstrado que os nanotubos de carbono exibem fortes afinidades de adsorção a uma ampla gama de contaminantes aromáticos e alifáticos na água, devido às suas grandes e hidrofóbicas áreas superficiais. Eles também mostraram capacidades de adsorção semelhantes às dos carvões ativados na presença de matéria orgânica natural. Como resultado, eles foram sugeridos como adsorventes promissores para a remoção de contaminantes em sistemas de tratamento de água e esgoto.
Além disso, membranas feitas de matrizes de nanotubos de carbono foram sugeridas como peneiras moleculares comutáveis, com recursos de peneiramento e permeação que podem ser ativados / desativados dinamicamente por distribuição de tamanho de poro (controle passivo) ou campos eletrostáticos externos (controle ativo).
Outras aplicações
Nanotubos de carbono foram implementados em sistemas nanoeletromecânicos, incluindo elementos de memória mecânica ( NRAM sendo desenvolvido pela Nantero Inc. ) e motores elétricos em nanoescala (ver Nanomotor ou Nanotubo nanomotor ).
Nanotubos de carbono de parede simples modificados por carboxil (chamados zig-zag, tipo poltrona) podem atuar como sensores de átomos e íons de metais alcalinos Na, Li, K. Em maio de 2005, Nanomix Inc. colocou no mercado um sensor de hidrogênio que nanotubos de carbono integrados em uma plataforma de silício.
Eikos Inc de Franklin , Massachusetts e Unidym Inc. de Silicon Valley , Califórnia, estão desenvolvendo filmes transparentes e eletricamente condutores de nanotubos de carbono para substituir o óxido de índio e estanho (ITO). Os filmes de nanotubos de carbono são substancialmente mais robustos mecanicamente do que os filmes ITO, tornando-os ideais para telas sensíveis ao toque de alta confiabilidade e monitores flexíveis. Tintas à base de água para impressão de nanotubos de carbono são desejadas para permitir a produção desses filmes para substituir o ITO. Os filmes de nanotubos são promissores para uso em monitores de computadores, telefones celulares, PDAs e caixas eletrônicos .
Um nanoradio , um receptor de rádio que consiste em um único nanotubo, foi demonstrado em 2007.
O uso em sensores de tensão de tração ou gases tóxicos foi proposto por Tsagarakis.
Um volante feito de nanotubos de carbono poderia girar em velocidade extremamente alta em um eixo magnético flutuante no vácuo e, potencialmente, armazenar energia em uma densidade próxima à dos combustíveis fósseis convencionais. Uma vez que a energia pode ser adicionada e removida dos volantes de forma muito eficiente na forma de eletricidade, isso pode oferecer uma maneira de armazenar eletricidade , tornando a rede elétrica mais eficiente e os fornecedores de energia variável (como turbinas eólicas) mais úteis para atender às necessidades de energia. A praticidade disso depende muito do custo de fabricação de estruturas de nanotubos maciças e ininterruptas e de sua taxa de falha sob estresse.
As molas de nanotubos de carbono têm o potencial de armazenar indefinidamente a energia potencial elástica em dez vezes a densidade das baterias de íon-lítio com carga flexível e taxas de descarga e durabilidade de ciclo extremamente alta.
SWNTs ultracurtos (tubos US) têm sido usados como cápsulas em escala nanométrica para a entrega de agentes de contraste de IRM in vivo.
Os nanotubos de carbono fornecem um certo potencial para a catálise sem metal de reações inorgânicas e orgânicas. Por exemplo, grupos de oxigênio ligados à superfície de nanotubos de carbono têm o potencial de catalisar desidrogenações oxidativas ou oxidações seletivas . Nanotubos de carbono dopados com nitrogênio podem substituir os catalisadores de platina usados para reduzir o oxigênio nas células de combustível . Uma floresta de nanotubos alinhados verticalmente pode reduzir o oxigênio em solução alcalina de forma mais eficaz do que a platina, que tem sido usada em tais aplicações desde 1960. Aqui, os nanotubos têm o benefício adicional de não estarem sujeitos ao envenenamento por monóxido de carbono.
Os engenheiros da Wake Forest University estão usando nanotubos de carbono de paredes múltiplas para aumentar o brilho da tecnologia eletroluminescente de polímero induzido por campo , potencialmente oferecendo um passo à frente na busca por iluminação segura, agradável e de alta eficiência. Nessa tecnologia, a matriz polimérica moldável emite luz quando exposta a uma corrente elétrica. Ele poderia eventualmente produzir luzes de alta eficiência sem o vapor de mercúrio das lâmpadas fluorescentes compactas ou a tonalidade azulada de algumas lâmpadas fluorescentes e LEDs, que tem sido associada à interrupção do ritmo circadiano.
Candida albicans tem sido usada em combinação com nanotubos de carbono (CNT) para produzir materiais de tecido bio-nano-compósitos eletricamente condutores estáveis que têm sido usados como elementos sensores de temperatura.
A empresa de produção de SWNT OCSiAl desenvolveu uma série de masterbatches para uso industrial de CNTs de parede única em vários tipos de misturas de borracha e pneus, com testes iniciais mostrando aumentos na dureza, viscosidade, resistência à deformação por tração e resistência à abrasão, reduzindo o alongamento e compressão. pneus As três características principais de durabilidade, eficiência de combustível e tração foram aprimoradas usando SWNTs. O desenvolvimento de masterbatches de borracha baseado em trabalhos anteriores do Instituto Nacional Japonês de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada, mostrando que a borracha é um candidato viável para aprimoramento com SWNTs.
A introdução de MWNTs em polímeros pode melhorar o retardamento de chama e retardar a degradação térmica do polímero. Os resultados confirmaram que a combinação de MWNTs e polifosfatos de amônio mostra um efeito sinérgico para melhorar o retardamento de chama.