Os aplicativos de nanotubos de carbono

Enfrentar os maiores desafios de nosso tempo às vezes envolve aproveitar o poder de algumas das menores partículas: nanopartículas. Aqui mergulhamos no fascinante mundo dos nanotubos de carbono (CNTs), uma maravilha da nanotecnologia com o potencial de revolucionar inúmeras indústrias.

O que são nanotubos de carbono?

Nanotubos de carbono são estruturas cilíndricas e ocas compostas por átomos de carbono arranjados em uma rede hexagonal. Os CNTs podem ser de parede única (SWCNTs) ou de paredes múltiplas (MWCNTs), com as diferentes configurações oferecendo propriedades únicas com base em seu tamanho e estrutura. O diâmetro de um nanotubo de carbono é medido na nanoescala, mas eles podem ter razões de aspecto extremas onde seu comprimento se estende para a faixa de milímetros. A excepcional resistência à tração dos CNTs, combinada com suas condutividades térmica e elétrica únicas, pode significar que eles se tornem inestimáveis em diversas áreas de pesquisa e aplicações¹.

Novas fronteiras na eletrônica

Nos últimos 30 anos, uma tendência proeminente na eletrônica tem sido a redução progressiva dos dispositivos eletrônicos do dia a dia, enquanto seu poder de processamento e complexidade aumentaram. A demanda por dispositivos cada vez menores e mais poderosos tem sido uma motivação primária para a indústria eletrônica adotar a nanotecnologia, incluindo os CNTs. O apelo dos nanotubos de carbono vai além de seu tamanho. Por exemplo, os CNTs exibem condutividade elétrica excepcional, tornando-os candidatos ideais para o desenvolvimento de transistores de alto desempenho² que podem prometer velocidades de processamento mais rápidas e maior eficiência energética em comparação com dispositivos tradicionais à base de silício. Além disso, a resistência mecânica dos CNTs pode ser vantajosa ao desenvolver eletrônicos flexíveis ou componentes que passam por estresse e tensão repetidos.

Avanços na ciência dos materiais

Uma das aplicações mais empolgantes dos nanotubos de carbono reside em sua capacidade de reforçar materiais compósitos³. A incorporação de CNTs em polímeros, metais e cerâmicas produz compósitos que são significativamente mais fortes, mais duráveis e mais leves do que seus equivalentes convencionais. Esses materiais aprimorados têm amplas aplicações, incluindo componentes aeroespaciais, peças automotivas e equipamentos esportivos, onde frequentemente há um equilíbrio delicado entre peso e desempenho. Da mesma forma, a resistência mecânica dos CNTs está sendo aproveitada para desenvolver revestimentos resistentes ao desgaste que melhoram a longevidade e a funcionalidade de vários produtos. Esses revestimentos são particularmente valiosos na indústria eletrônica, onde também podem explorar as propriedades elétricas e térmicas dos CNTs para proteger componentes delicados.

Revolucionando o armazenamento de energia

O setor de energia está passando por uma transformação significativa, impulsionada pela crescente adoção de fontes de energia renováveis e pela mudança contínua em direção à eletrificação. Um dos principais desafios que acompanham essa transformação é a crescente demanda por armazenamento de energia. Os nanotubos de carbono podem rapidamente se tornar essenciais para esta revolução devido à sua capacidade de armazenar e conduzir energia. Devido à sua estrutura semelhante a uma rede para partículas tão pequenas, os CNTs possuem uma grande área de superfície, permitindo armazenar mais carga do que capacitores tradicionais. Esse comportamento levou os CNTs a serem às vezes descritos como ‘supercapacitores’⁴. Além disso, na tecnologia de baterias, o uso de eletrodos melhorados com CNT demonstrou facilitar o transporte rápido de íons, o que melhora significativamente a capacidade, as taxas de carga/descarga e, portanto, a eficiência, o desempenho e a vida útil das baterias.

Descobertas médicas e biossensores

Os CNTs demonstraram notável potencial nos campos da medicina e biossensores, novamente graças às suas propriedades físicas únicas e, sobretudo, biocompatibilidade. Os CNTs podem ser funcionalizados para transportar biomoléculas especializadas para entrega direcionada de medicamentos graças ao seu tamanho nanométrico e alta área de superfície⁵. Além disso, os CNTs utilizados na entrega de medicamentos podem ser desenvolvidos para liberar as terapias especializadas de maneira controlada em resposta a estímulos específicos. As implicações desses avanços significarão que drogas podem ser entregues diretamente a células ou tecidos doentes, aumentando a eficácia do tratamento enquanto minimizam os efeitos colaterais.

Outra área de aplicação emocionante dentro da medicina para os CNTs é a biossensibilização e imagem. Muito parecido com o seu uso na entrega direcionada de medicamentos, os CNTs podem ser etiquetados com agentes de contraste ou marcadores fluorescentes para permitir imagens de alta resolução de estruturas celulares e moleculares. Além disso, suas propriedades condutivas únicas podem ser aproveitadas para desenvolver sensores capazes de detectar biomarcadores no sangue e em outros fluidos biológicos.

Purificação e filtração

Em tratamento de água, os CNTs se destacam na remoção de contaminantes, metais pesados e patógenos, fornecendo acesso a água limpa e segura⁶. Sua alta área de superfície e alta porosidade é ideal para adsorver contaminantes como metais pesados, poluentes orgânicos e bactérias. Essas propriedades ampliam suas capacidades para serem utilizadas em sistemas de filtração de ar, onde os CNTs podem capturar partículas nocivas de nossa atmosfera para ajudar a melhorar a qualidade do ar e reduzir os riscos à saúde associados à poluição do ar.

Conclusões

O potencial dos nanotubos de carbono é vasto e transformador. Da eletrônica à ciência dos materiais, do armazenamento de energia à medicina, os CNTs estão na vanguarda da inovação. Alguns dos maiores desafios para o avanço científico incluem entrega direcionada de medicamentos para doenças cada vez mais complexas, eletrificação e desenvolvimento de baterias, redução e mitigação da poluição generalizada e facilitação da transição para energia renovável. Todos esses desafios podem ser abordados com o uso inteligente dos CNTs.

Na Malvern Panalytical, estamos entusiasmados em fazer parte desta revolução tecnológica, desenvolvendo soluções que nos permitem insights sobre as incríveis propriedades dos CNTs para abordar os desafios de hoje e alavancar partículas e ciência dos materiais para criar um futuro mais saudável e sustentável.

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Referências

1. Harris, P. J. F. Ciência dos Nanotubos de Carbono: Síntese, Propriedades e Aplicações. (Cambridge University Press, 2009).
2. Franklin, A. D., Hersam, M. C. & Wong, H.-S. P. Transistores de nanotubos de carbono: Fazendo eletrônicos a partir de moléculas. Science 378, 726–732 (2022).
3. Coleman, J. N., Khan, U., Blau, W. J. & Gun’ko, Y. K. Pequeno mas forte: uma revisão das propriedades mecânicas dos compósitos de nanotubo de carbono-polímero. Carbon 44, 1624–1652 (2006).
4. Yu, D. et al. Síntese em escala de fibras estruturalmente hierarquizadas de nanotubo de carbono-grafeno para armazenamento de energia capacitiva. Nature Nanotech 9, 555–562 (2014).
5. Jha, R., Singh, A., Sharma, P. K. & Fuloria, N. K. Nanotubos de carbono inteligentes para sistema de entrega de medicamentos: Um estudo abrangente. Journal of Drug Delivery Science and Technology 58, 101811 (2020).
6. Das, R. et al. Nanotubos de carbono multifuncionais no tratamento de água: o presente, passado e futuro. Desalination 354, 160–179 (2014).