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Jul 01, 2023

Novas fibras de nanotubos têm uma combinação incomparável de resistência, condutividade e flexibilidade (com vídeo)

10 de janeiro de 2013 por

10 de janeiro de 2013

pela Universidade Rice

(Phys.org)—O mais recente avanço na nanotecnologia da Rice University levou mais de 10 anos para ser feito, mas ainda assim foi um choque. Cientistas da Rice, da empresa holandesa Teijin Aramid, da Força Aérea dos EUA e do Technion Institute de Israel revelaram esta semana uma nova fibra de nanotubo de carbono (CNT) que se parece e age como um fio têxtil e conduz eletricidade e calor como um fio de metal. Na edição desta semana da Science, os pesquisadores descrevem um processo industrialmente escalável para fabricar as fibras semelhantes a fios, que superam os materiais de alto desempenho disponíveis comercialmente de várias maneiras.

"Finalmente temos uma fibra de nanotubo com propriedades que não existem em nenhum outro material", disse o pesquisador principal Matteo Pasquali, professor de química e engenharia biomolecular e química na Rice. "Parece um fio de algodão preto, mas se comporta como fios de metal e fortes fibras de carbono."

A equipe de pesquisa inclui cientistas acadêmicos, governamentais e industriais da Rice; sede da Teijin Aramid em Arnhem, Holanda; o Instituto de Tecnologia Technion-Israel em Haifa, Israel; e o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) em Dayton, Ohio.

"As novas fibras CNT têm uma condutividade térmica próxima das melhores fibras de grafite, mas com condutividade elétrica 10 vezes maior", disse o co-autor do estudo Marcin Otto, gerente de desenvolvimento de negócios da Teijin Aramid. "As fibras de grafite também são quebradiças, enquanto as novas fibras CNT são tão flexíveis e resistentes quanto um fio têxtil. Esperamos que essa combinação de propriedades leve a novos produtos com recursos exclusivos para os mercados aeroespacial, automotivo, médico e de roupas inteligentes."

As propriedades fenomenais dos nanotubos de carbono fascinaram os cientistas desde o momento de sua descoberta em 1991. Os tubos ocos de carbono puro, quase tão largos quanto um fio de DNA, são cerca de 100 vezes mais fortes que o aço com um sexto do peso. As propriedades condutivas dos nanotubos - tanto para eletricidade quanto para calor - rivalizam com os melhores condutores de metal. Eles também podem servir como semicondutores ativados por luz, dispositivos de administração de medicamentos e até esponjas para absorver o óleo.

Infelizmente, os nanotubos de carbono também são a prima donna dos nanomateriais; eles são difíceis de trabalhar, apesar de seu potencial requintado. Para começar, encontrar os meios para produzir grandes quantidades de nanotubos levou quase uma década. Os cientistas também aprenderam cedo que havia várias dezenas de tipos de nanotubos – cada um com um material e propriedades elétricas únicos; e os engenheiros ainda precisam encontrar uma maneira de produzir apenas um tipo. Em vez disso, todos os métodos de produção produzem uma miscelânea de tipos, geralmente em aglomerados semelhantes a bolas de pelo.

Criar objetos em grande escala a partir desses aglomerados de nanotubos tem sido um desafio. Uma fibra semelhante a um fio com menos de um quarto da espessura de um fio de cabelo humano conterá dezenas de milhões de nanotubos dispostos lado a lado. Idealmente, esses nanotubos estarão perfeitamente alinhados – como lápis em uma caixa – e bem embalados. Alguns laboratórios exploraram meios de cultivar essas fibras inteiras, mas as taxas de produção dessas fibras de "estado sólido" se mostraram bastante lentas em comparação com os métodos de produção de fibras que dependem de um processo químico chamado "fiação úmida". Nesse processo, aglomerados de nanotubos brutos são dissolvidos em um líquido e esguichados através de pequenos orifícios para formar longos fios.

Pouco depois de chegar à Rice em 2000, Pasquali começou a estudar os métodos de fiação úmida da CNT com o falecido Richard Smalley, um pioneiro da nanotecnologia e homônimo do Instituto Smalley de Ciência e Tecnologia em Nanoescala de Rice. Em 2003, dois anos antes de sua morte prematura, Smalley trabalhou com Pasquali e colegas para criar as primeiras fibras puras de nanotubos. O trabalho estabeleceu um processo de fiação úmida industrialmente relevante para nanotubos que era análogo aos métodos usados ​​para criar fibras de aramida de alto desempenho – como a Twaron de Teijin – que são usadas em coletes à prova de balas e outros produtos. Mas o processo precisava ser refinado. As fibras não eram muito fortes ou condutoras, em parte devido a lacunas e desalinhamento dos milhões de nanotubos dentro delas.