Nanotubo de carbono

Nanotubos de carbono (CNTs) são alótropos do carbono com uma nanoestrutura cilíndrica. Essas moléculas de carbono cilíndricas têm propriedades incomuns, que são valiosas para a nanotecnologia, eletrônica, óptica e outros campos da ciência e tecnologia de materiais. Devido à excepcional resistência e rigidez do material, os nanotubos foram construídos com uma relação comprimento-diâmetro de até 132.000.000: 1, significativamente maior do que para qualquer outro material.

Além disso, devido à sua extraordinária condutividade térmica, propriedades mecânicas e elétricas, os nanotubos de carbono encontram aplicações como aditivos para vários materiais estruturais. Por exemplo, os nanotubos formam uma pequena porção do (s) material (ais) em alguns (principalmente fibra de carbono) tacos de beisebol, tacos de golfe, peças automotivas ou aço damasco.

Os nanotubos são membros da família estrutural do fulereno. Seu nome é derivado de sua longa estrutura oca com as paredes formadas por folhas de carbono de um átomo de espessura, chamadas grafeno. Estas folhas são enroladas em ângulos específicos e discretos (“quirais”), e a combinação do ângulo de rolamento e do raio decide as propriedades do nanotubo; por exemplo, se a casca de nanotubo individual é um metal ou semicondutor. Nanotubos são categorizados como nanotubos de parede única (SWNTs) e nanotubos de paredes múltiplas (MWNTs). Nanotubos individuais naturalmente se alinham em “cordas” mantidas juntas pelas forças de van der Waals, mais especificamente, empilhamento de pi.

Química quântica aplicada, especificamente, a hibridização orbital descreve melhor a ligação química em nanotubos. A ligação química dos nanotubos envolve átomos de carbono inteiramente híbridos sp2. Estas ligações, que são semelhantes às da grafite e mais fortes do que as encontradas nos alcanos e no diamante (que empregam átomos de carbono híbridos sp3), fornecem aos nanotubos a sua força única.

Tipos de nanotubos de carbono e estruturas relacionadas
Não há consenso sobre alguns termos que descrevem os nanotubos de carbono na literatura científica: tanto “parede” quanto “parede” estão sendo usados ​​em combinação com “simples”, “duplo”, “triplo” ou “multi”, e a letra C é freqüentemente omitido na abreviação; por exemplo, nanotubo de carbono de parede múltipla (MWNT).

Única parede

onde a = 0,246 nm.

Os SWNTs são uma variedade importante de nanotubos de carbono porque a maioria de suas propriedades muda significativamente com os valores (n, m), e essa dependência não é monotônica (veja o gráfico de Kataura). Em particular, seu gap pode variar de zero a cerca de 2 eV e sua condutividade elétrica pode apresentar comportamento metálico ou semicondutor. Os nanotubos de parede única são candidatos prováveis ​​para a miniaturização de eletrônicos. O bloco de construção mais básico desses sistemas é o fio elétrico, e SWNTs com diâmetros de uma ordem de um nanômetro podem ser excelentes condutores. Uma aplicação útil de SWNTs é o desenvolvimento dos primeiros transistores de efeito de campo intermolecular (FET). A primeira porta lógica intermolecular usando FETs SWCNT foi feita em 2001. Uma porta lógica requer um p-FET e um n-FET. Como os SWNTs são p-FETs quando expostos ao oxigênio e n-FETs, é possível expor metade de um SWNT ao oxigênio e proteger a outra metade dele. O SWNT resultante atua como uma porta não lógica com FETs do tipo p e do tipo n na mesma molécula.

Os preços dos nanotubos de parede única caíram de cerca de US $ 1.500 por grama em 2000 para os preços de varejo de US $ 50 por grama de 40% a 60% de peso em março de 2010. A partir de 2016, o preço de varejo da produção foi de 75%. % por peso SWNTs eram $ 2 por grama, barato o suficiente para uso generalizado. Prevê-se que as SWNTs tenham um grande impacto em aplicações eletrônicas até 2020, de acordo com o relatório do Global Market for Carbon Nanotubes.

Multi-paredes
Os nanotubos de paredes múltiplas (MWNTs) consistem em múltiplas camadas laminadas (tubos concêntricos) de grafeno. Existem dois modelos que podem ser usados ​​para descrever as estruturas de nanotubos de paredes múltiplas. No modelo da boneca russa, as placas de grafite são dispostas em cilindros concêntricos, por exemplo, um (0,8) nanotubo de parede única (SWNT) dentro de um nanotubo de parede única maior (0,17). No modelo de pergaminho, uma única folha de grafite é enrolada em torno de si, lembrando um rolo de pergaminho ou um jornal enrolado. A distância entre camadas nos nanotubos de paredes múltiplas é próxima da distância entre camadas de grafeno em grafite, aproximadamente 3,4 Å. A estrutura da boneca russa é observada mais comumente. Suas camadas individuais podem ser descritas como SWNTs, que podem ser metálicas ou semicondutoras. Por causa da probabilidade estatística e restrições nos diâmetros relativos dos tubos individuais, uma das cascas e, portanto, a MWNT inteira, é usualmente um metal com abertura zero.

Os nanotubos de carbono de paredes duplas (DWNTs) formam uma classe especial de nanotubos porque sua morfologia e propriedades são semelhantes às dos SWNTs, mas são mais resistentes a produtos químicos. Isto é especialmente importante quando é necessário enxertar funções químicas na superfície dos nanotubos (funcionalização) para adicionar propriedades ao CNT. A funcionalização covalente de SWNTs irá quebrar algumas ligações duplas C = C, deixando “buracos” na estrutura do nanotubo, modificando assim as suas propriedades mecânicas e elétricas. No caso de DWNTs, somente a parede externa é modificada. A síntese de DWNT na escala gramatical foi proposta pela primeira vez em 2003 pela técnica CCVD, a partir da redução seletiva de soluções de óxido de metano e hidrogênio.

A capacidade de movimento telescópico dos invólucros internos e suas propriedades mecânicas únicas permitirão o uso de nanotubos de paredes múltiplas como principais braços móveis em dispositivos nanomecânicos [especulação] Força de retração que ocorre ao movimento telescópico causado pela interação de Lennard-Jones entre os invólucros e seu valor é de cerca de 1,5 nN.

Junções e crosslinking
Junções entre 2 ou mais nanotubos foram amplamente discutidas teoricamente. Tais junções são observadas com bastante frequência em amostras preparadas por descarga de arco, bem como por deposição de vapor químico. As propriedades eletrônicas de tais junções foram primeiramente consideradas teoricamente por Lambin et al., Que apontaram que uma conexão entre o tubo metálico e um semicondutor representaria uma heterojunção em nanoescala. Tal junção poderia, portanto, formar um componente de um circuito eletrônico baseado em nanotubos. A imagem adjacente mostra uma junção entre dois nanotubos de paredes múltiplas. Junções entre nanotubos e grafeno foram consideradas teoricamente, mas não amplamente estudadas experimentalmente. Essas junções formam a base do grafeno pilarizado, no qual as folhas de grafeno paralelas são separadas por pequenos nanotubos. O grafeno em pilar representa uma classe de arquiteturas tridimensionais de nanotubos de carbono.

Recentemente, vários estudos destacaram a perspectiva de usar nanotubos de carbono como blocos de construção para fabricar dispositivos todo-carbono macroscópicos tridimensionais (& gt; 100 nm em todas as três dimensões). Lalwani et al. relataram um novo método de reticulação térmica iniciado por radical para fabricar estruturas macroscópicas, independentes e porosas, totalmente carbono, usando nanotubos de carbono de parede única e múltipla como blocos de construção. Estes andaimes possuem poros macro, micro e nano-estruturados e a porosidade pode ser adaptada para aplicações específicas. Esses andaimes / arquiteturas todo em carbono 3D 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.

Outras morfologias
Nanobuds de carbono são um material recém-criado que combina dois alótropos do carbono descobertos anteriormente: nanotubos de carbono e fulerenos. Neste novo material, “brotos” semelhantes a fulereno são ligados covalentemente às paredes laterais externas do nanotubo de carbono subjacente. Este material híbrido tem propriedades úteis de fulerenos e nanotubos de carbono. Em particular, eles foram encontrados para ser excepcionalmente bons emissores de campo. Em materiais compostos, as moléculas de fulereno ligadas podem funcionar como âncoras moleculares impedindo o deslizamento dos nanotubos, melhorando assim as propriedades mecânicas do compósito.

Um peapod de carbono é um novo material de carbono híbrido que retém o fulereno dentro de um nanotubo de carbono. Pode possuir propriedades magnéticas interessantes com aquecimento e irradiação. Também pode ser aplicado como um oscilador durante investigações e previsões teóricas.

Em teoria, um nanotoro é um nanotubo de carbono dobrado em um toro (forma de rosquinha). Espera-se que o nanotori tenha muitas propriedades únicas, como momentos magnéticos 1000 vezes maiores do que o esperado anteriormente para certos raios específicos. Propriedades como momento magnético, estabilidade térmica, etc. variam muito dependendo do raio do toróide e do raio do tubo.

Os nanotubos de carbono grafeno são um híbrido relativamente novo que combina folhetos grafíticos cultivados ao longo das paredes laterais de nanotubos de bambu ou nanotubos de bambu. A densidade foliar pode variar em função das condições de deposição (por exemplo, temperatura e tempo) com sua estrutura variando de poucas camadas de grafeno (<10) a mais espessa, mais semelhante a grafite. A vantagem fundamental de uma estrutura integrada de grafeno-CNT é a estrutura tridimensional de alta área de superfície dos CNTs acoplada à alta densidade de borda do grafeno. O depósito de uma alta densidade de folíolos de grafeno ao longo do comprimento de CNTs alinhados pode aumentar significativamente a capacidade de carga total por unidade de área nominal em comparação com outras nanoestruturas de carbono. Os nanotubos de carbono (CSCNTs), empilhados na copa, diferem de outras estruturas de carbono quase-1D, que normalmente se comportam como condutores quase-metálicos de elétrons. CSCNTs exibem comportamentos semicondutores devido à microestrutura de empilhamento de camadas de grafeno. Nanotubos de carbono extremos A observação dos maiores nanotubos de carbono cultivados até agora tem mais de 1/2 m (550 mm de comprimento) foi relatada em 2013. Esses nanotubos foram cultivados em substratos de silício usando um método de deposição de vapor químico melhorado (CVD) e representam matrizes eletricamente uniformes de Nanotubos de carbono com paredes O menor nanotubo de carbono é o composto orgânico cicloparafenileno, que foi sintetizado em 2008. O mais fino nanotubo de carbono é a poltrona (2,2) CNT com um diâmetro de 0,3 nm. Este nanotubo foi cultivado dentro de um nanotubo de carbono de paredes múltiplas. A atribuição do tipo de nanotubo de carbono foi feita por meio de uma combinação de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), espectroscopia Raman e cálculos da teoria do funcional de densidade (DFT). O mais fino nanotubo de carbono de parede simples é de cerca de 0,43 nm de diâmetro. Os pesquisadores sugeriram que ele pode ser (5,1) ou (4,2) SWCNT, mas o tipo exato de nanotubo de carbono permanece questionável. Os nanotubos de carbono (3,3), (4,3) e (5,1) (todos de cerca de 0,4 nm de diâmetro) foram identificados sem ambigüidade usando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução corrigida por aberração dentro de CNTs de paredes duplas. A maior densidade de CNTs foi alcançada em 2013, cultivada em uma superfície de cobre revestida de titânio condutora que foi revestida com co-catalisadores de cobalto e molibdênio em temperaturas inferiores às típicas de 450 ° C. Os tubos tiveram uma altura média de 380 nm e uma densidade de massa de 1,6 g cm-3. O material apresentou condutividade ôhmica (menor resistência ∼22 kΩ). Propriedades Mecânico Os nanotubos de carbono são os materiais mais resistentes e rígidos já descobertos em termos de resistência à tração e módulo elástico, respectivamente. Esta resistência resulta das ligações covalentes de sp2 formadas entre os átomos de carbono individuais. Em 2000, um nanotubo de carbono de paredes múltiplas foi testado para ter uma resistência à tração de 63 gigapascals (9.100.000 psi). (Para ilustração, isso se traduz na capacidade de suportar a tensão de um peso equivalente a 6.422 kg-força (62.980 N; 14.160 lbf) em um cabo com seção transversal de 1 milímetro quadrado (0.0016 sq in).) Outros estudos, tais como um estudo realizado em 2008, revelou que os reservatórios individuais de CNT têm pontos fortes de até 100 gigapascals (15.000.000 psi), o que está de acordo com os modelos quânticos / atomísticos. Como os nanotubos de carbono têm baixa densidade para um sólido de 1,3 a 1,4 g / cm3, sua resistência específica de até 48.000 kN • m • kg − 1 é o melhor dos materiais conhecidos, em comparação aos 154 kN • m de aço com alto teor de carbono. kg − 1. Embora a resistência de cascas de CNT individuais seja extremamente alta, interações de cisalhamento fracas entre cascas e tubos adjacentes levam a uma redução significativa na resistência efetiva de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e feixes de nanotubos de carbono até apenas alguns GPa. Essa limitação foi recentemente abordada com a aplicação de irradiação de elétrons de alta energia, que reticula os cascos e tubos internos e aumenta efetivamente a resistência desses materiais a GP60 GPa para nanotubos de carbono de paredes múltiplas e GP17 GPa para feixes de nanotubos de carbono de parede dupla . CNTs não são tão fortes sob compressão. Por causa de sua estrutura oca e alta relação de aspecto, eles tendem a sofrer de flambagem quando colocados sob tensão de compressão, torção ou flexão. Por outro lado, havia evidência de que na direção radial eles são bastante moles. A primeira observação por microscopia eletrônica 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 a microscopia de força atômica foi também realizada em nanotubos de carbono de parede única. O módulo de Young na ordem de vários GPa mostrou que os CNTs são de fato muito suaves na direção radial. Elétrico Ao contrário do grafeno, que é um semimetal bidimensional, os nanotubos de carbono são metálicos ou semicondutores ao longo do eixo tubular. Para um dado (n, m) nanotubo, se n = m, o nanotubo é metálico; Se n - m é um múltiplo de 3 e n ≠ m e nm ≠ 0, então o nanotubo é quase metálico com um gap muito pequeno, caso contrário o nanotubo é um semicondutor moderado. Assim, todos os nanotubos de poltrona (n = m) são metálicos e os nanotubos (6,4), (9,1) etc. são semicondutores. Os nanotubos de carbono não são semimetálicos porque o ponto degenerado (o ponto onde a banda π [ligação] encontra a banda π * [anti-ligação], na qual a energia chega a zero) é ligeiramente desviado do ponto K na zona de Brillouin devido à curvatura da superfície do tubo, causando hibridação entre as bandas antiaderentes σ * ​​e π *, modificando a dispersão da banda. A regra em relação ao comportamento metálico versus semicondutor tem exceções, porque os efeitos de curvatura em tubos de pequeno diâmetro podem influenciar fortemente as propriedades elétricas. Assim, um (5,0) SWCNT que deveria ser semicondutor de fato é metálico de acordo com os cálculos. Da mesma forma, os SWCNTs em zigue-zague e quirais com pequenos diâmetros que deveriam ser metálicos têm um espaço limitado (os nanotubos de poltrona permanecem metálicos). Em teoria, os nanotubos metálicos podem transportar uma densidade de corrente elétrica de 4 × 109 A / cm2, que é mais de 1.000 vezes maior que a de metais como o cobre, onde para as interconexões de cobre as densidades de corrente são limitadas pela eletromigração. Os nanotubos de carbono estão, portanto, sendo explorados como interconexões, componentes que melhoram a condutividade em materiais compostos e muitos grupos estão tentando comercializar fios elétricos altamente condutores montados a partir de nanotubos de carbono individuais. Existem desafios significativos a serem superados, no entanto, como saturação de corrente indesejada sob tensão, as junções e impurezas de nanotubos e nanotubos muito mais resistentes, que reduzem a condutividade elétrica dos fios de nanotubos macroscópicos em ordens de magnitude, em comparação à condutividade dos nanotubos individuais. Devido à sua seção transversal em nanoescala, os elétrons se propagam apenas ao longo do eixo do tubo. Como resultado, os nanotubos de carbono são freqüentemente referidos como condutores unidimensionais. A condutância elétrica máxima de um nanotubo de carbono de parede única é 2G0, onde G0 = 2e2 / h é a condutância de um único canal quântico balístico. Devido ao papel do sistema π-elétron na determinação das propriedades eletrônicas do grafeno, a dopagem nos nanotubos de carbono difere da dos semicondutores cristalinos a granel do mesmo grupo da tabela periódica (por exemplo, o silício). A substituição grafítica de átomos de carbono na parede dos nanotubos por dopantes com boro ou nitrogênio leva ao comportamento do tipo p e do tipo n, respectivamente, como seria esperado no silício. No entanto, alguns dopantes não substitucionais (intercalados ou adsorvidos) introduzidos em um nanotubo de carbono, como metais alcalinos, bem como metalocenos ricos em elétrons, resultam em condução do tipo n porque eles doam elétrons ao sistema de eletrons π do nanotubo. Por outro lado, os aceitadores de elétrons π tais como FeCl3 ou metalocenos com deficiência de elétrons funcionam como dopantes do tipo p, uma vez que atraem os elétrons π para longe do topo da banda de valência. Supercondutividade intrínseca tem sido relatada, embora outros experimentos não tenham encontrado evidências disso, deixando a alegação um assunto de debate. Óptico Os nanotubos de carbono possuem propriedades úteis de absorção, fotoluminescência (fluorescência) e espectroscopia Raman. Métodos espectroscópicos oferecem a possibilidade de caracterização rápida e não destrutiva de quantidades relativamente grandes de nanotubos de carbono. Há uma forte demanda por tal caracterização do ponto de vista industrial: numerosos parâmetros da síntese de nanotubos podem ser alterados, intencionalmente ou não, para alterar a qualidade dos nanotubos. Como mostrado abaixo, as espectroscopias de absorção óptica, fotoluminescência e Raman permitem uma caracterização rápida e confiável desta "qualidade dos nanotubos" em termos de conteúdo de carbono não-tubular, estrutura (quiralidade) dos nanotubos produzidos e defeitos estruturais. Esses recursos determinam quase todas as outras propriedades, como propriedades ópticas, mecânicas e elétricas. Os nanotubos de carbono são sistemas "unidimensionais" únicos que podem ser visualizados como folhas únicas de grafite laminadas (ou mais precisamente grafeno). Essa laminação pode ser feita em diferentes ângulos e curvaturas, resultando em diferentes propriedades de nanotubos. O diâmetro normalmente varia na faixa de 0,4 a 40 nm (ou seja, "somente" ~ 100 vezes), mas o comprimento pode variar de ~ 100.000.000.000 de vezes, de 0,14 a 55,5 cm. A taxa de proporção do nanotubo, ou a relação comprimento / diâmetro, pode ser tão alta quanto 132.000.000: 1, o que é inigualável por qualquer outro material. Consequentemente, todas as propriedades dos nanotubos de carbono em relação àquelas dos semicondutores típicos são extremamente anisotrópicas (dependentes de direção) e sintonizáveis. Enquanto as propriedades mecânicas, elétricas e eletroquímicas (supercapacitoras) dos nanotubos de carbono estão bem estabelecidas e têm aplicações imediatas, o uso prático das propriedades ópticas ainda não está claro. A capacidade de ajuste das propriedades acima mencionada é potencialmente útil em óptica e fotônica. Em particular, diodos emissores de luz (LEDs) e foto-detectores baseados em um único nanotubo foram produzidos no laboratório. Sua característica única não é a eficiência, que ainda é relativamente baixa, mas a seletividade estreita no comprimento de onda de emissão e detecção de luz e a possibilidade de seu ajuste fino através da estrutura do nanotubo. Além disso, os dispositivos de memória bolométrica e optoeletrônica foram realizados em conjuntos de nanotubos de carbono de parede única. Os defeitos cristalográficos também afetam as propriedades elétricas do tubo. Um resultado comum é a condutividade reduzida através da região defeituosa do tubo. Um defeito nos tubos tipo poltrona (que podem conduzir eletricidade) pode fazer com que a região circundante se torne semicondutora, e as únicas vazões monatômicas induzem propriedades magnéticas. Térmico Espera-se que todos os nanotubos sejam condutores térmicos muito bons ao longo do tubo, exibindo uma propriedade conhecida como "condução balística", mas bons isolantes laterais ao eixo do tubo. As medições mostram que um SWNT individual tem uma condutividade térmica à temperatura ambiente ao longo do seu eixo de cerca de 3500 W • m − 1 • K − 1; compare isso com o cobre, um metal bem conhecido por sua boa condutividade térmica, que transmite 385 W • m − 1 • K − 1. Um SWNT individual tem uma condutividade térmica à temperatura ambiente em todo o seu eixo (na direção radial) de cerca de 1,52 W • m − 1 • K − 1, que é tão termicamente condutor quanto o solo. Conjuntos macroscópicos de nanotubos, como filmes ou fibras, atingiram até 1.500 W • m – 1 • K – 1 até o momento. A estabilidade da temperatura dos nanotubos de carbono é estimada em até 2800 ° C no vácuo e cerca de 750 ° C no ar. Os defeitos cristalográficos afetam fortemente as propriedades térmicas do tubo. Tais defeitos levam ao espalhamento de fônons, que por sua vez aumenta a taxa de relaxamento dos fônons. Isso reduz o caminho livre médio e reduz a condutividade térmica das estruturas de nanotubos. Simulações de transporte de fônons indicam que defeitos de substituição, como nitrogênio ou boro, levarão principalmente à dispersão de fônons óticos de alta freqüência. No entanto, defeitos de maior escala, como os defeitos de Stone Wales, causam o espalhamento de fônons em uma ampla faixa de freqüências, levando a uma maior redução na condutividade térmica. Síntese Foram desenvolvidas técnicas para produzir nanotubos em quantidades consideráveis, incluindo descarga de arco, ablação a laser, deposição de vapor químico (CVD) e desproporção de monóxido de carbono de alta pressão (HiPCO). Entre essas descargas a arco, a ablação a laser, a deposição química a vapor (CVD) são processos lote a lote e a HiPCO é um processo contínuo em fase gasosa. A maioria desses processos ocorre em um vácuo ou com gases de processo. O método de crescimento de CVD é popular, pois produz grande quantidade e tem um grau de controle sobre diâmetro, comprimento e morfologia. Usando catalisadores particulados, grandes quantidades de nanotubos podem ser sintetizados por estes métodos, mas alcançar a repetibilidade torna-se um grande problema no crescimento de CVD. O processo HiPCO avança em catálise e o crescimento contínuo está tornando os CNTs mais comercialmente viáveis. O processo HiPCO ajuda a produzir nanotubos de carbono de parede única de alta pureza em maior quantidade. O reator HiPCO opera em alta temperatura 900-1100 ° C e alta pressão ~ 30-50 bar. Utiliza monóxido de carbono como fonte de carbono e níquel / ferro penta carbonil como catalisador. Este catalisador atua como o local de nucleação para os nanotubos crescerem. Matrizes de nanotubos de carbono alinhadas verticalmente também são cultivadas por deposição de vapor químico térmico. Um substrato (quartzo, silício, aço inoxidável, etc.) é revestido com uma camada de metal catalítico (Fe, Co, Ni). Normalmente, essa camada é de ferro e é depositada por pulverização catódica até uma espessura de 1 a 5 nm. Uma subcamada de alumina de 10–50 nm é frequentemente também depositada no substrato primeiro. Isso confere umidificação controlável e boas propriedades interfaciais. Quando o substrato é aquecido até a temperatura de crescimento (~ 700 ° C), o filme contínuo de ferro se divide em pequenas ilhas ... cada ilha então nuclea um nanotubo de carbono. A espessura do sputtered controla o tamanho da ilha, e isso, por sua vez, determina o diâmetro do nanotubo. Camadas de ferro mais finas reduzem o diâmetro das ilhas e reduzem o diâmetro dos nanotubos cultivados. A quantidade de tempo que a ilha de metal pode ficar na temperatura de crescimento é limitada, uma vez que são móveis e podem se fundir em ilhas maiores (mas menos). O recozimento na temperatura de crescimento reduz a densidade do local (número de CNT / mm2) enquanto aumenta o diâmetro do catalisador. Os nanotubos de carbono preparados como tal têm sempre impurezas, tais como outras formas de carbono (carbono amorfo, fulereno, etc.) e impurezas não carbonadas (resíduos metálicos usados ​​no catalisador). Essas impurezas precisam ser removidas para fazer uso dos nanotubos de carbono nas aplicações. Metrologia Existem muitos padrões de metrologia e materiais de referência disponíveis para os nanotubos de carbono. Para nanotubos de carbono de parede simples, ISO / TS 10868 descreve um método de medição para o diâmetro, pureza e fração de nanotubos metálicos através de espectroscopia de absorção óptica, enquanto ISO / TS 10797 e ISO / TS 10798 estabelecem métodos para caracterizar a morfologia e composição elementar de nanotubos de carbono de parede única, usando microscopia eletrônica de transmissão e microscopia eletrônica de varredura, respectivamente, juntamente com a análise de espectrometria de dispersão de raios-X de energia. Para nanotubos de carbono multifoliados, o ISO / TR 10929 identifica as propriedades básicas e o conteúdo de impurezas, enquanto a ISO / TS 11888 descreve a morfologia usando microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, viscometria e análise de dispersão de luz. A ISO / TS 10798 também é válida para nanotubos de carbono de paredes múltiplas. Modificação química Os nanotubos de carbono podem ser funcionalizados para atingir as propriedades desejadas que podem ser usadas em uma ampla variedade de aplicações. Os dois principais métodos de funcionalização do nanotubo de carbono são modificações covalentes e não covalentes. Devido à sua aparente natureza hidrofóbica, os nanotubos de carbono tendem a se aglomerar dificultando sua dispersão em solventes ou polímeros viscosos fundidos. Os feixes ou agregados de nanotubos resultantes reduzem o desempenho mecânico do compósito final. A superfície dos nanotubos de carbono pode ser modificada para reduzir a hidrofobicidade e melhorar a adesão interfacial a um polímero a granel através da ligação química. Também a superfície dos nanotubos de carbono pode ser fluorada ou halofluorada pelo método CVD com fluorocarbonetos, hidro- ou halofluorcarbonetos por aquecimento enquanto em contato com esse material de carbono com substância fluoroorgânica para formar carbonos parcialmente fluorados (os chamados materiais Fluocar) com enxofre (halo) fluoroalquila funcionalidade. Aplicações Atual O uso atual e a aplicação de nanotubos tem sido limitado principalmente ao uso de nanotubos a granel, que é uma massa de fragmentos de nanotubos bastante desorganizados. Os materiais de nanotubos a granel podem nunca atingir uma resistência à tracção semelhante à dos tubos individuais, mas tais compósitos podem, no entanto, produzir resistências suficientes para muitas aplicações. Os nanotubos de carbono a granel já foram usados ​​como fibras compósitas em polímeros para melhorar as propriedades mecânicas, térmicas e elétricas do produto a granel. A Easton-Bell Sports, Inc. tem estado em parceria com a Zyvex Performance Materials, usando a tecnologia da CNT em vários componentes de bicicletas - incluindo guidões planos e ascendentes, manivelas, garfos, espigões de selim, hastes e barras aerodinâmicas. A Zyvex Technologies também construiu uma embarcação marítima de 54 ', a embarcação de superfície não tripulada Piranha, como um demonstrador de tecnologia para o que é possível usando a tecnologia CNT. Os CNTs ajudam a melhorar o desempenho estrutural da embarcação, resultando em um barco leve de 8.000 libras que pode transportar uma carga útil de 15.000 libras ao longo de um alcance de 2.500 milhas. A Amroy Europe Oy fabrica resinas de nanoepoxy de carbono Hybtonite onde os nanotubos de carbono foram quimicamente ativados para se ligarem a epóxi, resultando em um material composto que é 20% a 30% mais forte do que outros materiais compostos. Ele tem sido usado para turbinas eólicas, tintas marinhas e uma variedade de equipamentos esportivos, como esquis, bastões de hóquei no gelo, tacos de beisebol, flechas de caça e pranchas de surf. A Boeing Company patenteou o uso de nanotubos de carbono para monitoramento de integridade estrutural de compósitos usados ​​em estruturas de aeronaves. Essa tecnologia reduzirá muito o risco de uma falha durante o vôo causada pela degradação estrutural das aeronaves. Outras aplicações atuais incluem: dicas para sondas de microscópio de força atômica em engenharia de tecidos, os nanotubos de carbono podem atuar como andaimes para o crescimento ósseo Pesquisas atuais para aplicações modernas incluem: usando nanotubos de carbono como suporte para diversas técnicas de microfabricação. Dissipação de energia em nanoestruturas auto-organizadas sob influência de um campo elétrico. usando nanotubos de carbono para monitoramento ambiental devido à sua área de superfície ativa e sua capacidade de absorver gases. Potencial A força e a flexibilidade dos nanotubos de carbono os torna de uso potencial no controle de outras estruturas em nanoescala, o que sugere que eles terão um papel importante na engenharia de nanotecnologia. A maior resistência à tração de um nanotubo de carbono individual de paredes múltiplas foi testada para ser de 63 GPa. Nanotubos de carbono foram encontrados em aço de Damasco a partir do século 17, possivelmente ajudando a explicar a força lendária das espadas feitas a partir dele. Recentemente, vários estudos têm destacado a perspectiva de usar nanotubos de carbono como blocos de construção para fabricar dispositivos todo-carbono macroscópicos tridimensionais (> 1mm em todas as três dimensões). Lalwani et al. relataram um novo método de reticulação térmica iniciado por radical para fabricar estruturas macroscópicas, independentes, porosas e totalmente carbono, usando nanotubos de carbono de parede única e múltipla como blocos de construção. Estes andaimes possuem poros macro, micro e nano-estruturados e a porosidade pode ser adaptada para aplicações específicas. Esses andaimes / arquiteturas todo em carbono 3D 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.

Os CNTs são candidatos potenciais para o futuro material via e fio em circuitos VLSI em escala nanométrica. Eliminando as preocupações de confiabilidade de eletromigração que contaminam as atuais interconexões de Cu, os CNTs isolados (de parede única e de múltiplas paredes) podem transportar densidades de corrente superiores a 1000 MA / cm2 sem danos por eletromigração.

Grandes quantidades de CNTs puros podem ser transformadas em uma folha ou filme autônomo por técnica de fabricação de fundição de fita (SETC) de engenharia de superfície, que é um método escalável para fabricar folhas flexíveis e dobráveis ​​com propriedades superiores. Outro fator de forma relatado é a fibra CNT (aka filamento) por fiação úmida. A fibra é diretamente fiada do pote de síntese ou centrifugada a partir de CNTs pré-fabricados dissolvidos. Fibras individuais podem ser transformadas em um fio. Além de sua força e flexibilidade, a principal vantagem é fazer um fio eletricamente condutor. As propriedades eletrônicas de cada fibra de CNT (isto é, pacote de CNT individual) são governadas pela estrutura bidimensional de CNTs. As fibras foram medidas para ter uma resistividade apenas uma ordem de magnitude maior do que os condutores metálicos em 300K. Ao otimizar ainda mais os CNTs e fibras CNT, fibras CNT com propriedades elétricas melhoradas poderiam ser desenvolvidas.

Os fios baseados em CNT são adequados para aplicações em tratamento de água energético e eletroquímico quando revestidos com uma membrana de troca iônica. Além disso, os fios baseados em CNT poderiam substituir o cobre como material de enrolamento. Pyrhönen et al. (2015) construíram um motor usando o enrolamento CNT.

Segurança e saúde
O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional (NIOSH) é a principal agência federal dos Estados Unidos que realiza pesquisas e fornece orientações sobre as implicações e aplicações da nanotecnologia na segurança e saúde no trabalho. Os primeiros estudos científicos indicaram que algumas dessas partículas em nanoescala podem representar um risco maior para a saúde do que a forma maior em massa desses materiais.Em 2013, o NIOSH publicou um Boletim de Inteligência nos níveis atuais e fibras de carbono.

Em outubro de 2016, os nanotubos de carbono do revestimento de parede foram removidos através de registro, avaliação, autorização e restrição de produtos químicos (REACH) da União Europeia, com base na avaliação das propriedades potencialmente perigosas do SWCNT. Com base neste registo, uma negociação de SWCNT é permitida na UE até 10 toneladas métricas. Atualmente, o tipo de SWCNT registrado através do REACH é incluído no tipo específico de nanotubos de carbono de parede único fabricado pela OCSiAl, que apresentou uma aplicação.