Pesquisadores da Rice University e da State University of New York - Stony Brook mostraram que a adição de nanotubos de carbono com baixo percentual de peso pode levar a melhorias significativas nas propriedades mecânicas de nanocompósitos poliméricos biodegradáveis para aplicações de engenharia de tecidos, incluindo osso,[6]​[7][8]​ cartilagem,[9]​ músculo[10]​ e tecido nervoso.[7]​[11]​ A dispersão de um baixo percentual em peso de grafeno (~0,02% em peso) produz resultados significativos aumentos nas propriedades mecânicas de compressão e flexão dos nanocompósitos poliméricos. Pesquisadores da Rice University, da Stony Brook University, do Radboud University Nijmegen Medical Center e da University of California, Riverside demonstraram que os nanotubos de carbono e seus nanocompósitos poliméricos são materiais de estrutura adequados para a engenharia de tecidos ósseos[12]​[13][14]​ e formação óssea.[15]​.

Os nanotubos de carbono apresentam 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.[2]​

Os biossensores SWNT exibem grandes mudanças na impedância elétrica e nas propriedades ópticas, que são tipicamente moduladas pela adsorção de um alvo na superfície do CNT. Limites de detecção baixos e alta seletividade exigem engenharia de efeitos de superfície e campo CNT, 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, microarranjos para detecção de DNA e proteínas e sensores de NO.

e troponina cardíaca. Outros sensores CNT semelhantes são usados ​​na indústria alimentícia e em aplicações militares e ambientais.

Os CNTs podem ser internalizados pelas células, primeiro ligando suas pontas aos receptores da membrana celular. Isto permite a transfecção de cargas moleculares fixadas nas paredes dos CNTs ou encapsuladas por eles. Por exemplo, o medicamento anticancerígeno doxorrubicina foi carregado até 60% em peso em CNTs, em comparação com um máximo de 8 a 10% em peso em lipossomas. A liberação da carga pode ser desencadeada pela radiação infravermelha próxima. No entanto, é essencial limitar a retenção de CNTs no corpo para evitar acumulações indesejáveis.[2]​.

A toxicidade dos CNT continua a ser uma preocupação, embora a biocompatibilidade dos CNT possa ser manipulável. O grau de inflamação pulmonar causado pela injeção de SWNTs bem dispersos foi insignificante em comparação com o amianto e as partículas transportadas pelo ar. A aceitação médica dos CNTs requer a compreensão da resposta imunológica e dos padrões de exposição apropriados para inalação, injeção, ingestão e contato com a pele. As florestas de CNT imobilizadas com polímero não apresentaram uma resposta inflamatória elevada em ratos em relação aos controles. Os CNTs estão sendo estudados como eletrodos de interface neural de baixa impedância e para revestimento de cateteres para reduzir trombose.[2]​.

Fontes de raios X CNT também estão sendo desenvolvidas para imagens médicas. Com base nas propriedades únicas dos CNTs, os pesquisadores desenvolveram cátodos de emissão de campo que permitem o controle preciso dos raios X e a colocação próxima de múltiplas fontes. Fontes de raios X baseadas em CNT provaram ser eficazes em aplicações pré-clínicas de imagens de pequenos animais e estão atualmente em ensaios clínicos.

Em novembro de 2012, pesquisadores do Instituto Nacional Americano de Padrões e Tecnologia (NIST) demonstraram que nanotubos de carbono de parede única podem ajudar a proteger as moléculas de DNA contra danos oxidativos.[16]​.

Um método muito eficaz para introduzir 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.[17]​.

Além disso, nanotubos de carbono foram cultivados dentro de canais microfluídicos para análises químicas baseadas em eletrocromatografia. Neste caso, a alta relação superfície-volume e a alta hidrofobicidade dos CNTs são usadas para reduzir bastante o tempo de análise de pequenas moléculas neutras que geralmente requerem equipamentos volumosos para análise.[18]​[19]​.

Contenido

Debido a las propiedades mecánicas superiores de los nanotubos de carbono, se han propuesto muchas estructuras que van desde artículos cotidianos como ropa y equipamiento deportivo hasta chaquetas de combate y ascensores espaciales.[20]​ Sin embargo, el ascensor espacial requerirá más esfuerzos para perfeccionar la tecnología de nanotubos de carbono, ya que la resistencia práctica a la tracción de los nanotubos de carbono debe mejorar mucho.[21]​.

En perspectiva, ya se han logrado avances sobresalientes. El trabajo pionero dirigido por Ray H. Baughman en el Instituto de Nanotecnología ha demostrado que los nanotubos de paredes simples y múltiples pueden producir materiales con una dureza sin igual en los mundos natural y artificial.[22]​[23]​.

Los nanotubos de carbono también son un material prometedor como bloques de construcción en materiales compuestos jerárquicos dadas sus excepcionales propiedades mecánicas (~1 TPa en módulo y ~100 GPa en resistencia). Los intentos iniciales de incorporar los CNT en estructuras jerárquicas (como hilos, fibras o películas[24]​) han llevado a propiedades mecánicas significativamente más bajas que estos límites potenciales. La integración jerárquica de nanotubos de carbono de pared múltiple y óxidos de metal/metal dentro de una única nanoestructura puede aprovechar la potencialidad de los compuestos de nanotubos de carbono para la descomposición del agua y la electrocatálisis.[25]​ Windle et al. han utilizado un método de hilado de deposición química de vapor (CVD) in situ para producir hilos de CNT continuos a partir de aerogeles de CNT cultivados mediante CVD.[26]​[27]​[28]​ Los hilos de CNT también se pueden fabricar extrayendo paquetes de CNT de un bosque de CNT y retorciéndolos posteriormente para formar la fibra (método de estirar y torcer, vea la imagen a la derecha). El grupo Windle ha fabricado hilos CNT con resistencias de hasta ~9 GPa en longitudes de calibre pequeñas de ~1 mm, sin embargo, se informaron resistencias de solo aproximadamente ~ 1 GPa en la longitud de referencia más larga de 20 milímetros[29]​[30]​ La razón por la cual las resistencias de las fibras han sido bajas en comparación con la resistencia de los CNT individuales se debe a que no se transfirió la carga de manera efectiva a los CNT constituyentes (discontinuos) dentro de la fibra. Una posible vía para paliar este problema es la reticulación covalente entre haces y entre CNT inducida por irradiación (o deposición) para "unir" eficazmente los CNT, con niveles de dosificación más elevados que den lugar a la posibilidad de obtener fibras compuestas de carbono amorfo/nanotubos de carbono.[31]​ Espinosa et al. desarrollaron hilos compuestos de DWNT-polímero de alto rendimiento retorciendo y estirando cintas de haces de DWNT orientados aleatoriamente y recubiertos con compuestos orgánicos poliméricos. Estos hilos de DWNT-polímero mostraron una energía de rotura inusualmente alta, de ~100 J-g-1 (comparable a la de uno de los materiales naturales más resistentes, la seda de araña),[32]​ y una resistencia de hasta ~1,4 GPa.[33]​ Se están realizando esfuerzos para producir compuestos de CNT que incorporen materiales de matriz más resistentes, como el Kevlar, para mejorar aún más las propiedades mecánicas respecto a las de los CNT individuales.

Debido a la gran resistencia mecánica de los nanotubos de carbono, se está investigando cómo tejerlos en la ropa para crear prendas a prueba de puñaladas y balas. Los nanotubos impedirían eficazmente que la bala penetrara en el cuerpo, aunque la energía cinética de la bala probablemente causaría fracturas óseas y hemorragias internas.[34]​.

Los nanotubos de carbono también pueden acortar los tiempos de procesamiento y aumentar la eficiencia energética durante el curado de composites mediante el uso de calentadores estructurados con nanotubos de carbono. El autoclave es el método de referencia para el curado de materiales compuestos, pero tiene un precio elevado y limita el tamaño de las piezas. Los investigadores calculan que el curado de una pequeña sección del fuselaje de fibra de carbono y epoxi del Boeing 787 requiere 350 GJ de energía y produce 80 toneladas de dióxido de carbono. Esto es aproximadamente la misma cantidad de energía que consumirían nueve hogares en un año.[35]​ Además, la eliminación de las limitaciones de tamaño de las piezas elimina la necesidad de unir pequeños componentes de composite para crear estructuras a gran escala. Esto ahorra tiempo de fabricación y da lugar a estructuras más resistentes.

Los calentadores estructurados con nanotubos de carbono prometen sustituir a los autoclaves y hornos convencionales para el curado de composites por su capacidad para alcanzar altas temperaturas a velocidades de rampa rápidas con una gran eficiencia eléctrica y flexibilidad mecánica. Estos calentadores nanoestructurados pueden adoptar la forma de una película y aplicarse directamente al composite. Esto da lugar a una transferencia de calor conductiva, a diferencia de la transferencia de calor convectiva que utilizan los autoclaves y los hornos convencionales. Lee et al. informaron de que sólo el 50% de la energía térmica introducida en un autoclave se transfiere al composite que se está curando, independientemente del tamaño de la pieza, mientras que en un calentador de película nanoestructurada se transfiere alrededor del 90% de la energía térmica, dependiendo del proceso.[36]​.

Lee et al. consiguieron curar con éxito materiales compuestos de calidad aeroespacial utilizando un calentador de CNT fabricado "empujando en dominó" un bosque de CNT sobre una película de teflón. A continuación, esta película se colocó sobre un preimpregnado OOA (tecnología y aplicación Out of Autoclave) de 8 capas. Se incorporó aislamiento térmico alrededor del conjunto. A continuación, todo el conjunto se envasó al vacío y se calentó con una fuente de alimentación de 30 V CC. Se realizaron pruebas mecánicas y de grado de curado para comparar los composites curados de forma convencional con su configuración OOA. Los resultados mostraron que no había diferencias en la calidad del composite creado. Sin embargo, la cantidad de energía necesaria para curar el composite OOA se redujo en dos órdenes de magnitud, de 13,7 MJ a 118,8 kJ.[37]​.

Sin embargo, antes de que los nanotubos de carbono puedan utilizarse para curar los fuselajes del Boeing 787, es necesario un mayor desarrollo. El mayor reto a la hora de crear calentadores estructurados con nanotubos de carbono es conseguir una dispersión uniforme de los nanotubos en una matriz polimérica para garantizar que el calor se aplique de manera uniforme. La elevada superficie de los nanotubos de carbono genera fuertes fuerzas de Van Der Waals entre cada uno de ellos, lo que provoca su aglomeración y hace que las propiedades caloríficas no sean uniformes. Además, la matriz de polímero debe elegirse cuidadosamente para que pueda soportar las altas temperaturas generadas y los ciclos térmicos repetitivos necesarios para curar múltiples componentes compuestos.

Misturas

Os MWNTs foram usados ​​pela primeira vez como cargas eletricamente condutoras em metais, em concentrações de até 83,78% em peso (% em peso). Os compósitos de polímero MWNT atingem condutividades de até 10.000 S m a uma carga de 10% em peso. Na indústria automotiva, os plásticos CNT são utilizados na pintura assistida eletrostática de caixas de espelhos, bem como em linhas de combustível e filtros que dissipam carga eletrostática. Outros produtos incluem pacotes de blindagem contra interferência eletromagnética (EMI) e portadores de wafer de silício.[2]​.

Para aplicações de suporte de carga, os pós CNT são misturados com polímeros precursores ou resinas para aumentar a rigidez, resistência e tenacidade. Essas melhorias dependem do diâmetro, proporção, alinhamento, dispersão e interação interfacial dos CNTs. Resinas pré-misturadas e masterbatches empregam cargas de CNT de 0,1 a 20% em peso. O "stick-slip" em nanoescala entre CNTs e contatos de polímero CNT pode aumentar o amortecimento do material e melhorar os produtos esportivos, como raquetes de tênis, tacos de beisebol e quadros de bicicletas.[2]​.

As resinas CNT melhoram os compósitos de fibra, incluindo pás de turbinas eólicas e cascos de barcos de segurança marítima que são fabricados através da atualização de compósitos de fibra de carbono com resina aprimorada com CNT. Os CNTs são implementados como aditivos nos precursores orgânicos de fibras de carbono mais fortes com 1 μm de diâmetro. Os CNTs influenciam o arranjo do carbono na fibra pirolisada.[2]​

Diante do desafio de organizar CNTs em maior escala, os compósitos hierárquicos de fibras são criados pelo cultivo de florestas alinhadas em fibras de vidro, carboneto de silício (SiC), alumina e carbono, criando as chamadas fibras "difusas". Os tecidos epóxi difusos CNT-SiC e CNT-alumina apresentaram uma melhoria de 69% na resistência à trinca (modo I) e/ou resistência ao cisalhamento interlaminar no plano (modo II). As aplicações que estão sendo investigadas incluem proteção contra raios, degelo e monitoramento da saúde estrutural de aeronaves.[2]​.

Os MWNTs podem ser usados ​​como aditivos retardadores de chama para plásticos devido a mudanças na reologia devido ao carregamento de nanotubos. Esses aditivos podem substituir retardadores de chama halogenados, que enfrentam restrições ambientais.[2]​.

As misturas CNT/concreto oferecem maior resistência à tração e menor propagação de fissuras.[38]​.

Buckypaper (agregado de nanotubos) pode melhorar significativamente a resistência ao fogo graças à reflexão eficiente do calor[39]​.

Têxteis

Estudos anteriores sobre o uso de CNTs para funcionalização têxtil focaram na fiação de fibras para melhorar as propriedades físicas e mecânicas.[40]​[41]​[42]​ Recentemente, muita atenção tem sido dada ao revestimento de tecidos com CNTs. Vários métodos têm sido empregados para modificar tecidos com CNTs. Por exemplo, Panhuis et al. produziu têxteis eletrônicos inteligentes para biomonitoramento humano usando um revestimento à base de polieletrólito com CNTs.[43]​ Além disso, Panhuis et al. material têxtil tingido por imersão em uma solução de polímero PMAS de poli (2-metoxianilina-5-sulfônico) ou em uma dispersão PMAS-SWNT com melhor condutividade e capacitância com desempenho duradouro. usou um separador elastomérico e quase conseguiu um supercapacitor totalmente extensível baseado em macrofilmes de nanotubos de carbono de parede única. Foi utilizado poliuretano eletrofiado, que proporcionou boa elasticidade mecânica, e toda a célula alcançou excelente estabilidade de carga e descarga. Os CNTs têm uma estrutura de nanotubos alinhada e uma carga superficial negativa. Portanto, possuem estruturas semelhantes aos corantes diretos, portanto o método de exaustão é aplicado para o revestimento e absorção de CNT na superfície da fibra para a preparação de tecido multifuncional incluindo propriedades antibacterianas, condutoras elétricas, retardantes de chama e absorção eletromagnética.[47][48][49]​.

No futuro, os fios e folhas CNT[50] fabricados por deposição química direta de vapor (CVD) ou métodos de fiação ou trefilação poderão competir com a fibra de carbono para usos de ponta, especialmente em aplicações sensíveis ao peso que exigem funcionalidade elétrica e mecânica combinada. Fios de pesquisa feitos de CNTs de paredes baixas alcançaram uma rigidez de 357 GPa e uma resistência de 8,8 GPa para um comprimento de medida comparável ao dos CNTs milimétricos no fio. Comprimentos em escala centimétrica oferecem apenas uma resistência gravimétrica de 2 GPa, igual à do Kevlar.[2]​.

Como a probabilidade de falha crítica aumenta com o volume, os threads podem nunca atingir a resistência dos CNTs individuais. No entanto, a elevada área superficial dos CNTs pode fornecer acoplamento interfacial que atenua essas deficiências. Os fios CNT podem ser amarrados sem perda de resistência. O revestimento de folhas trefiladas de CNT com pó funcional antes da inserção por torção produz fios teceláveis, trançados e costuráveis ​​contendo até 95% em peso de pó. Seus usos incluem fios supercondutores, eletrodos de bateria e célula de combustível e têxteis autolimpantes.[2]​.

Fibras SWNT alinhadas, ainda impraticáveis, podem ser fabricadas por coagulação e fiação de suspensões de CNT. SWNTs mais baratos ou MWNTs fiados são necessários para a comercialização.[2]​ Os nanotubos de carbono podem ser dissolvidos em superácidos, como o ácido fluorossulfúrico, e esticados em fibras na fiação a jato seco e úmido.[51]​.

Os fios compostos de polímero DWNT foram fabricados torcendo e esticando fitas de feixes DWNT orientados aleatoriamente revestidos com compostos orgânicos poliméricos.

Molas de nanotubos de carbono

As "florestas" de molas MWNT esticadas e alinhadas podem atingir 10 vezes a densidade de energia das molas de aço, oferecendo durabilidade cíclica, insensibilidade à temperatura, sem descarga espontânea e sem taxa de descarga arbitrária. Espera-se que as florestas SWNT possam armazenar muito mais do que MWNTs.[58]​.

Ligas

A adição de 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-CNT têm resistência comparável à do aço inoxidável (0,7 a 1 GPa) com um terço da densidade (2,6 g cm-3), comparável à das ligas de alumínio-lítio mais caras.[2]​.

Revestimentos e filmes

Os CNTs podem servir como material de revestimento multifuncional. Por exemplo, misturas de tinta/MWNT podem reduzir a bioincrustação de cascos de navios, desencorajando a adesão de algas e cracas. Eles são uma possível alternativa às tintas contendo biocidas, perigosas para o meio ambiente.[59]​ A mistura de CNTs em revestimentos anticorrosivos para metais pode melhorar a rigidez e resistência do revestimento e fornecer um caminho para proteção catódica.[2]​.

Os CNTs são uma alternativa econômica ao ITO para vários dispositivos de consumo. Além do custo, os condutores flexíveis e transparentes dos CNTs oferecem uma vantagem sobre os frágeis revestimentos ITO (óxido de índio e estanho) para displays flexíveis. Os condutores CNT podem ser depositados a partir de solução e padronizados usando métodos como serigrafia. Os filmes SWNT oferecem 90% de transparência e resistividade de 100 ohms por quadrado. Esses filmes estão sendo desenvolvidos para aquecedores de filmes finos, por exemplo, para descongelar janelas ou calçadas.[2]​.

Florestas e espumas de nanotubos de carbono também podem ser revestidas com diversos materiais para modificar sua funcionalidade e desempenho. Os exemplos incluem CNTs revestidos de silício para criar baterias flexíveis e de alta densidade de energia,[60]​ revestimentos de grafeno para criar aerogéis altamente elásticos[61]​, e revestimentos de carboneto de silício para criar um material estrutural forte para microarquiteturas 3D de alta proporção.[62]​.

Existe uma ampla gama de métodos para converter CNTs em revestimentos e filmes.[63]​.

Uma mistura pulverizada de nanotubos de carbono e cerâmica demonstra uma capacidade sem precedentes de resistir a danos enquanto absorve a luz 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. São utilizados, por exemplo, em equipamento militar para desarmar minas não detonadas. O compósito é composto por nanotubos de carbono de paredes múltiplas e uma cerâmica de silício, carbono e nitrogênio. O boro aumenta a temperatura de decomposição. Nanotubos e carbono semelhante ao grafeno transmitem bem o calor, enquanto a cerâmica resistente à oxidação aumenta a resistência a danos. Para criar o revestimento, os nanotubos foram dispersos em tolueno, ao qual foi adicionado um polímero líquido transparente contendo boro. A mistura foi aquecida a 1100°C (2010°F). O resultado foi moído até formar um pó fino, novamente disperso em tolueno e pulverizado em uma fina camada sobre uma superfície de cobre. O revestimento absorveu 97,5% da luz de um laser infravermelho distante e tolerou 15 quilowatts por centímetro quadrado durante 10 segundos. A tolerância a danos é aproximadamente 50% maior do que revestimentos semelhantes, por exemplo, apenas nanotubos e tinta de carbono.[64]​[65]​.

Os radares operam na faixa de frequência de micro-ondas, que pode ser absorvida pelos MWNTs. A aplicação de MWNTs à aeronave faria com que eles fossem absorvidos pelo radar e, portanto, parecessem ter uma seção transversal de radar menor. Uma dessas aplicações poderia ser pintar os nanotubos do avião. Recentemente, a Universidade de Michigan estudou a utilidade dos nanotubos de carbono como tecnologia de camuflagem em aviões. Foi descoberto que, além de absorverem o radar, os nanotubos não refletem nem espalham a luz visível, por isso são praticamente invisíveis à noite, como se os atuais aviões furtivos fossem pintados de preto, mas com muito mais eficácia. No entanto, as atuais limitações de fabricação tornam impossível a produção de aeronaves revestidas com nanotubos. Uma teoria para superar essas limitações atuais é revestir pequenas partículas com nanotubos e suspender as partículas revestidas com nanotubos em um meio como tinta, que pode então ser aplicado a uma superfície, como uma aeronave furtiva.[66]​.

Se han fabricado transistores basados en nanotubos, también conocidos como transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNTFET), que funcionan a temperatura ambiente y son capaces de conmutar digitalmente utilizando un solo electrón.[69]​ Sin embargo, uno de los principales obstáculos para la realización de los nanotubos ha sido la falta de tecnología para su producción en masa. En 2001, investigadores de IBM demostraron que los nanotubos metálicos pueden destruirse y dejar los semiconductores para utilizarlos como transistores. Su proceso se denomina "destrucción constructiva", que incluye la destrucción automática de nanotubos defectuosos en la oblea "Oblea (electrónica)").[70]​ Sin embargo, este proceso sólo permite controlar las propiedades eléctricas a escala estadística.Los SWNT resultan atractivos para los transistores por su baja dispersión de electrones y su banda prohibida. Los SWNT son compatibles con las arquitecturas de los transistores de efecto de campo (FET) y los dieléctricos de alta k. A pesar de los avances logrados tras la aparición del transistor de CNT en 1998, cabe destacar un FET de efecto túnel con una oscilación subumbral de <60 mV por década (2004), un radio (2007) y un FET con una longitud de canal inferior a 10 nm y una densidad de corriente normalizada de 2,41 mA μm-1 a 0,5 V, superior a las obtenidas para dispositivos de silicio.

Sin embargo, el control del diámetro, quiralidad, densidad y ubicación sigue siendo insuficiente para la producción comercial. Los dispositivos menos exigentes de decenas a miles de SWNT son más prácticos de inmediato. El uso de matrices/transistores CNT aumenta la corriente de salida y compensa los defectos y las diferencias de quiralidad, mejorando la uniformidad y la reproducibilidad del dispositivo. Por ejemplo, los transistores que utilizan matrices CNT alineadas horizontalmente lograron movilidades de 80 cm V s, pendientes subliminales de 140 mV por década y relaciones de encendido/apagado de hasta 10. Los métodos de deposición de película CNT permiten la fabricación convencional de semiconductores de más de 10 000 dispositivos CNT por chip.

Los transistores de película fina (TFT) de CNT impresos resultan atractivos para accionar pantallas de diodos orgánicos emisores de luz, ya que presentan una movilidad superior a la del silicio amorfo (~1 cm V s) y pueden depositarse por métodos de baja temperatura y sin vacío. Se demostraron TFT de CNT flexibles con una movilidad de 35 cm V s y una relación de encendido/apagado de 6×10. Un FET vertical de CNT mostró una salida de corriente suficiente para accionar OLEDs a bajo voltaje, permitiendo la emisión rojo-verde-azul a través de una red transparente de CNTs. Se está estudiando la posibilidad de utilizar CNT en etiquetas de identificación por radiofrecuencia. Se demostró la retención selectiva de los SWNT semiconductores durante el recubrimiento por rotación y la reducción de la sensibilidad a los adsorbatos.La Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para semiconductores sugiere que los CNT podrían sustituir a las interconexiones de Cu") en los circuitos integrados, debido a su baja dispersión, su alta capacidad de transporte de corriente y su resistencia a la electromigración. Para ello, se necesitan vías formadas por CNT metálicos densamente empaquetados (>10 cm) con baja densidad de defectos y baja resistencia de contacto. Recientemente se han demostrado interconexiones compatibles con semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) de 150 nm de diámetro con una resistencia de orificio de contacto de CNT de 2,8 kohmios en obleas de 200 mm de diámetro. Además, como sustitutos de los puntos de soldadura, los CNT pueden funcionar como conductores eléctricos y disipadores de calor en amplificadores de alta potencia.

Por último, se ha adaptado para su comercialización un concepto de memoria no volátil basada en interruptores electromecánicos individuales de barras cruzadas de CNT mediante el estampado de películas finas de CNT desordenadas como elementos funcionales. Para ello ha sido necesario desarrollar suspensiones ultrapuras de CNT que puedan recubrirse por rotación y procesarse en entornos industriales de sala blanca y, por tanto, sean compatibles con las normas de procesamiento CMOS.

Transistores

Transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono (CNTFET) podem operar em temperatura ambiente e são capazes de comutação digital usando um único elétron. alinhamento desejado, o orçamento térmico e a resistência dos contatos.

Um dos principais desafios foi 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.[73]​ Ao fazer isso, todas as suas diferenças elétricas são calculadas em média e dispositivos em grande escala podem ser produzidos no nível do wafer.[74]​ Esta abordagem foi patenteada pela primeira vez pela Nanomix Inc.[75]​ (data de aplicação original em junho de 2002[76]​). Foi publicado pela primeira vez na literatura acadêmica pelo Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos em 2003 por meio de um artigo de pesquisa independente. Essa abordagem também permitiu à Nanomix fabricar o primeiro transistor em um substrato flexível e transparente.[77]​[78]​.

Como o caminho livre médio dos elétrons nos SWCNTs pode exceder 1 micrômetro, os CNTFETs de canal longo exibem características de transporte quase balísticas, resultando em altas velocidades. Espera-se que os dispositivos CNT operem em frequências de centenas de gigahertz.[79][80][81][82][83]​.

Os nanotubos podem crescer em nanopartículas metálicas magnéticas (Fe, Co), facilitando a produção de dispositivos eletrônicos (spintrônicos). Em particular, foi demonstrado o controle da corrente através de um transistor de efeito de campo usando um campo magnético em uma nanoestrutura de tubo único [84].

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 "Wafer (eletrônico)".[70] No entanto, este processo só permite o controle das propriedades elétricas em escala estatística. Em 2003, foram publicados transistores balísticos de temperatura ambiente com contatos metálicos ôhmicos e dielétrico de alto kP, que geravam entre 20 e 30 vezes mais corrente do que os mais avançados Mosfets de silício. O paládio é um metal com alta função de trabalho que apresenta contatos sem barreira Schottky) com nanotubos semicondutores com diâmetros > 1,7 nm.[85]​.

O potencial dos nanotubos de carbono foi demonstrado em 2003, quando foram publicados transistores balísticos de temperatura ambiente com contatos metálicos ôhmicos e dielétricos de alto kP, mostrando uma corrente ON 20-30 vezes maior que a dos MOSFETs de Si mais avançados. Isto representou um avanço importante neste campo, uma vez que foi demonstrado que os CNT poderiam potencialmente superar os de Si. Naquela época, a formação de contatos metálicos ôhmicos era um dos principais desafios. Nesse sentido, foi demonstrado que o paládio, que é um metal com alta função de trabalho, apresentava contatos sem barreira Schottky com nanotubos semicondutores com diâmetros >1,7 nm.[86][87]​.

Gerenciamento térmico

Grandes estruturas de nanotubos de carbono podem ser usadas para gerenciamento térmico de circuitos eletrônicos. Uma camada de nanotubos de carbono com cerca de 1 mm de espessura foi usada como material especial para fazer refrigeradores, este material tem uma densidade muito baixa, ~20 vezes menos peso que uma estrutura de cobre semelhante, enquanto as propriedades de resfriamento são semelhantes para os dois materiais.[96]​.

O Buckypaper possui características adequadas para uso como dissipador de calor para aglomerados, retroiluminação para telas LCD ou como gaiola de Faraday.

Uma das aplicações mais promissoras dos nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs) é a sua utilização em painéis solares, devido às suas fortes características de absorção UV/Vis-NIR. A pesquisa mostrou que eles podem proporcionar um aumento significativo na eficiência, mesmo no estado atual não otimizado. As células solares desenvolvidas no Instituto de Tecnologia de Nova Jersey usam um complexo de nanotubos de carbono, composto por uma mistura de nanotubos de carbono e fulerenos de carbono (conhecidos como fulerenos) para formar estruturas em forma de cobra. As fulerenos prendem elétrons, mas não conseguem fazê-los fluir.[97]​[98]​ Se a luz solar for adicionada para excitar os polímeros, as fulerenos prenderão os elétrons. Os nanotubos, que se comportam como fios de cobre, serão então capazes de fluir elétrons ou corrente.[97] Pesquisas adicionais foram realizadas para a criação de painéis solares SWNT híbridos para aumentar ainda mais a eficiência. Esses híbridos são criados combinando SWNTs com doadores de elétrons fotoexcitáveis ​​para aumentar o número de elétrons gerados. Descobriu-se que a interação entre a porfirina fotoexcitável e os SWNTs gera pares de eletrofuros nas superfícies dos SWNTs. Este fenômeno foi observado experimentalmente e praticamente contribui para um aumento na eficiência de até 8,5%.[99]​.

Os nanotubos podem potencialmente substituir o óxido de índio e estanho nas células solares como uma película condutora transparente nas células solares para permitir que a luz passe para as camadas ativas e gere fotocorrente.[100]​.

Os CNTs em células solares orgânicas ajudam a reduzir a perda de energia (recombinação de portadores) e melhoram a resistência à fotooxidação. As tecnologias fotovoltaicas podem um dia incorporar heterojunções CNT-silício para aproveitar a geração eficiente de múltiplos excitons em junções pn formadas dentro de CNTs individuais. No curto prazo, a energia fotovoltaica comercial pode incorporar eletrodos SWNT transparentes.[2]​.

Además de poder almacenar energía eléctrica, se ha investigado el uso de nanotubos de carbono para almacenar hidrógeno y utilizarlo como fuente de combustible. Aprovechando los efectos capilares de los pequeños nanotubos de carbono, es posible condensar gases en alta densidad dentro de nanotubos de pared simple. Esto permite almacenar gases, sobre todo hidrógeno (H), a altas densidades sin que se condensen en un líquido. Potencialmente, este método de almacenamiento podría utilizarse en vehículos en lugar de los depósitos de combustible para un coche impulsado por hidrógeno. Uno de los problemas actuales de los vehículos de hidrógeno es el almacenamiento del combustible a bordo. Los métodos de almacenamiento actuales implican enfriar y condensar el gas H hasta un estado líquido para su almacenamiento, lo que provoca una pérdida de energía potencial (25-45%) en comparación con la energía asociada al estado gaseoso. El almacenamiento mediante SWNTs permitiría mantener el H en estado gaseoso, aumentando así la eficiencia del almacenamiento. Este método permite una relación volumen/energía ligeramente inferior a la de los vehículos de gas actuales, lo que permite una autonomía ligeramente inferior pero comparable.[101]​.

La eficacia del almacenamiento de hidrógeno mediante adsorción en nanotubos de carbono es un tema controvertido y objeto de frecuentes experimentos. La eficacia del almacenamiento de hidrógeno es fundamental para su uso como fuente primaria de combustible, ya que el hidrógeno sólo contiene aproximadamente una cuarta parte de la energía por unidad de volumen que la gasolina. Sin embargo, los estudios demuestran que lo más importante es la superficie de los materiales utilizados. Así, un carbón activado con una superficie de 2.600 m/g puede almacenar hasta un 5,8% p/p. (Porcentaje Peso a Peso (%P/P)[102]​ en Disoluciones) En todos estos materiales carbonosos, el hidrógeno se almacena por fisisorción a 70-90K.[103]​.

Capacidade experimental

Um experimento[104] tentou determinar a quantidade de hidrogênio armazenado em CNTs usando análise de detecção de recuo elástico (ERDA). Os CNTs (principalmente SWNTs) foram sintetizados por deposição química de vapor (CVD) e submetidos a um processo de purificação em dois estágios que incluiu oxidação do ar e tratamento ácido. Discos planos e uniformes foram então formados e expostos ao hidrogênio puro pressurizado em várias temperaturas. Quando os dados foram analisados, descobriu-se que a capacidade dos CNTs de armazenar hidrogênio diminuía à medida que a temperatura aumentava. Além disso, a maior concentração de hidrogénio medida foi de ~0,18%; significativamente inferior ao que deveria ser um armazenamento de hidrogénio comercialmente viável. Outro trabalho experimental realizado utilizando um método gravimétrico também revelou que a capacidade máxima de absorção de hidrogênio dos CNTs era tão baixa quanto 0,2%.[105]

Em outro experimento, nantubos de carbono foram sintetizados por CVD e sua estrutura foi caracterizada por espectroscopia Raman. Usando 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 acima. As amostras purificadas foram então expostas ao gás hidrogênio em várias altas pressões e sua porcentagem de adsorção por 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 certas. Acredita-se que a digestão por microondas ajuda a melhorar a capacidade de adsorção de hidrogênio de CNTs abrindo 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 nanotubos. Os métodos atuais de síntese de CNT requerem uma etapa de purificação. Contudo, mesmo com nanotubos puros, a capacidade de adsorção só é maximizada sob altas pressões, o que não é desejável em tanques de combustível comerciais.

Varias empresas están desarrollando películas CNT transparentes y conductoras de electricidad y nanobuds") para reemplazar al óxido de indio y estaño (ITO) en LCD, pantallas táctiles y dispositivos fotovoltaicos. Las películas de nanotubos son prometedoras para su uso en pantallas de computadoras, teléfonos celulares, asistentes digitales personales y cajeros automáticos .[106]​ Los diodos CNT muestran un efecto fotovoltaico .

Los nanotubos de paredes múltiples ( MWNT recubiertos con magnetita ) pueden generar fuertes campos magnéticos. Avances recientes muestran que MWNT recubiertos con nanopartículas de maghemita se puede orientar en un campo magnético[107]​ y mejorar las propiedades eléctricas del material compuesto en la dirección del campo para su uso en escobillas de motores eléctricos .[108]​.

Una capa de nanotubos de pared simple ( SWNT ) enriquecidos con hierro al 29 % colocado encima de una capa de material explosivo como PETN puede encenderse con un flash de cámara normal.[109]​.

Los CNT se pueden usar como cañones de electrones en tubos de rayos catódicos (CRT) en miniatura en pantallas de alto brillo, baja energía y bajo peso. Una pantalla consistiría en un grupo de diminutos CRT, cada uno de los cuales proporciona los electrones para iluminar el fósforo "Fósforo (sustancia fosforescente)") de un píxel, en lugar de tener un CRT cuyos electrones se dirigen mediante campos eléctricos y magnéticos. Estas pantallas se conocen como pantallas de emisión de campo (FED).

Los CNT pueden actuar como antenas para radios y otros dispositivos electromagnéticos .[110]​.

Los CNT conductores se utilizan en escobillas "Escobilla (electricidad)") para motores eléctricos comerciales. Reemplazan al negro de humo tradicional. Los nanotubos mejoran la conductividad eléctrica y térmica porque se extienden a través de la matriz plástica de la escobilla. Esto permite que el relleno de carbón se reduzca del 30 % al 3,6 %, de modo que haya más matriz presente en la escobilla. Las escobillas de motor compuestas de nanotubos están mejor lubricadas (desde la matriz), funcionan más frías (tanto por una mejor lubricación como por una conductividad térmica superior), menos quebradizas (más matriz y refuerzo de fibra), más fuertes y moldeables con mayor precisión (más matriz). Dado que las escobillas son un punto crítico de falla en los motores eléctricos y además no necesitan mucho material, se volvieron económicas antes que casi cualquier otra aplicación.

Los cables para transportar corriente eléctrica pueden fabricarse a partir de nanotubos y compuestos de nanotubos y polímeros. Se han fabricado alambres pequeños con conductividad específica superior al cobre y al aluminio;[111]​[112]​ los cables no metálicos de mayor conductividad.

Los CNT están bajo investigación como alternativa a los filamentos de tungsteno en las bombillas incandescentes.

Interconexões

Os nanotubos metálicos de carbono têm despertado interesse de pesquisa por sua aplicabilidade como interconexões de integração em grande escala (VLSI) devido à sua alta estabilidade térmica, alta condutividade térmica e grande capacidade de transporte de corrente. uma temperatura elevada de 250 graus Celsius (482 °F), eliminando as preocupações com a confiabilidade da eletromigração que afetam as interconexões de Cu. [119]​ Trabalhos de modelagem recentes comparando os dois mostraram que as interconexões de pacotes CNT podem potencialmente oferecer vantagens sobre o cobre. Medições detalhadas de condutância em uma ampla faixa de temperatura concordam com a teoria de um condutor quase unidimensional fortemente desordenado.

Interconexões híbridas usando vias CNT juntamente com interconexões de cobre podem oferecer vantagens do ponto de vista da confiabilidade e do gerenciamento térmico.[122]​ Em 2016, a União Europeia financiou um projeto de três anos de 4 milhões de euros para avaliar a capacidade de fabricação e o desempenho de interconexões compostas usando CNT e interconexões de cobre. O projeto, denominado CONNECT (CarbON Nanotube compositE InterconneCTs),[123]​ reúne os esforços de sete parceiros europeus da indústria e de pesquisa em torno de técnicas e processos de fabricação que permitem que nanotubos de carbono confiáveis ​​sejam usados ​​para interconexões no chip na produção de microchips ULSI.

Cabos e fios elétricos

Fios condutores de corrente elétrica podem ser feitos de nanotubos puros ou de compósitos nanotubos-polímeros. Já foi demonstrado que cabos de nanotubos de carbono podem ser usados ​​com sucesso para a transmissão de energia ou dados.[124] Recentemente, pequenos cabos foram fabricados com uma condutividade específica superior à do cobre e do alumínio;[125]​[126]​ esses cabos são os cabos de nanotubos de carbono com a maior condutividade e também os cabos não metálicos com a maior condutividade. Recentemente, foi demonstrado que os compósitos de nanotubos de carbono e cobre têm uma capacidade de transporte de corrente quase cem vezes maior que a do cobre puro ou do ouro.[127] Além disso, a condutividade elétrica deste composto é semelhante à do cobre puro. Assim, este compósito de nanotubos de carbono e cobre (CNT-Cu) possui a maior capacidade de condução de corrente observada entre os condutores elétricos. Assim, para uma determinada seção transversal de condutor elétrico, o compósito CNT-Cu pode suportar e transportar uma corrente cem vezes superior à de metais como cobre e ouro.

El uso de CNT como soporte de catalizadores en pilas de combustible puede reducir potencialmente el uso de platino en un 60% en comparación con el negro de humo. Los CNT dopados pueden permitir la eliminación completa del Pt.[2]​.

supercapacitor

O Laboratório de Pesquisa Eletrônica do MIT usa nanotubos para melhorar supercapacitores. O carvão ativado usado em ultracapacitores convencionais possui muitos pequenos espaços ocos de vários tamanhos, que juntos criam uma grande área de superfície para armazenar carga elétrica. Mas como a carga é quantizada em cargas elementares, isto é, electrões, e cada carga elementar necessita de um espaço mínimo, uma fracção significativa da superfície do eléctrodo não está disponível para armazenamento porque os espaços vazios não são compatíveis com os requisitos de carga. Com um eletrodo de nanotubo, as lacunas podem ser adaptadas ao tamanho (algumas muito grandes ou muito pequenas) e, consequentemente, a capacidade deve aumentar consideravelmente.[128]​.

Um supercapacitor de 40 F com uma tensão máxima de 3,5 V usando SWNTs cultivados sem aglutinantes ou aditivos alcançou uma densidade de energia de 15,6 Wh · kg e uma densidade de potência de 37 kW · kg. Os CNTs podem ser anexados às placas de carga dos capacitores para aumentar drasticamente a área de superfície e, portanto, a densidade de energia.

Baterias

As interessantes propriedades eletrônicas dos nanotubos de carbono (CNTs) têm se mostrado promissoras no campo das baterias, onde estão sendo experimentadas como um novo material de eletrodo, particularmente o ânodo das baterias de íon-lítio.[130] Isso ocorre porque o ânodo requer uma capacidade reversível relativamente alta em um potencial próximo ao do lítio metálico, e uma capacidade irreversível moderada, observada até agora apenas para compostos à base de grafite, como os CNTs. Foi demonstrado que eles melhoram muito a capacidade e a ciclabilidade das baterias de íons de lítio, bem como a capacidade de serem componentes de buffer altamente eficazes, aliviando a degradação da bateria que geralmente é devida a cargas e descargas repetidas. Além disso, o transporte eletrônico no ânodo pode ser bastante melhorado usando CNTs altamente metálicos.[131]​.

Mais especificamente, os CNTs mostraram capacidades reversíveis de 300 a 600 mAhg, com alguns tratamentos para eles mostrando esses números aumentando até 1000 mAhg.[132] Enquanto isso, o grafite, que é o material mais utilizado como ânodo dessas baterias de lítio, apresentou capacidades de apenas 320 mAhg-1. Ao criar compósitos a partir de CNTs, os cientistas veem muitas possibilidades de aproveitar essas capacidades excepcionais, bem como sua excelente resistência mecânica, condutividades e baixas densidades.[131]​.

MWNTs são usados ​​​​em cátodos de baterias de íons de lítio. Nessas baterias, pequenas quantidades de pó MWNT são misturadas com materiais ativos e um aglutinante polimérico, como carga de 1% em peso de CNT em cátodos LiCoO e ânodos de grafite. Os CNTs aumentam a conectividade elétrica e a integridade mecânica, o que melhora a capacidade de carga e a vida útil.[2]​.

Uma bateria de papel ") é uma bateria projetada para usar uma folha de celulose fina como papel (que é o principal componente do papel comum, entre outras coisas) infundida com nanotubos de carbono alinhados. fino, indicando a necessidade de baterias de papel. Recentemente,[133] foi demonstrado que superfícies revestidas com CNT podem ser usadas para substituir metais pesados em baterias.[136] Mais recentemente, baterias de papel funcionais foram demonstradas, nas quais uma bateria de íon de lítio é integrada em uma única folha de papel por meio de um processo de laminação como um composto com LiTiO (LTO) ou LiCoO (LCO), enquanto os filmes CNT atuam como coletores de corrente tanto para o ânodo quanto para o cátodo. Esses dispositivos de energia recarregável mostram potencial em etiquetas RFID, embalagens funcionais ou novas aplicações eletrônicas descartáveis.

Melhorias nas baterias de chumbo-ácido também foram demonstradas, com base em pesquisas conduzidas pela Universidade Bar-Ilan usando SWCNTs de alta qualidade fabricados pela OCSiAl. O estudo demonstrou um aumento na vida útil das baterias de chumbo-ácido de 4,5 vezes e um aumento na capacidade de 30% em média e até 200% em altas taxas de descarga.[138][139]​.

Os CNTs podem ser usados ​​para transportar e dessalinizar água. 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. Comparada a uma simples membrana "Membrana (objeto)"), ela opera a uma temperatura 20 °C mais baixa e a uma vazão 6 vezes maior.[138]​[139]​[140]​ 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 CNT podem purificar água potável contaminada. Essas redes podem oxidar eletroquimicamente contaminantes orgânicos, bactérias e vírus.[2]​.

As membranas CNT podem filtrar o dióxido de carbono das emissões das usinas de energia.

Os CNTs podem ser preenchidos com moléculas biológicas, o que ajuda a biotecnologia.

Os CNTs podem armazenar entre 4,2 e 65% de hidrogênio em peso. Se puderem ser produzidos em massa de forma econômica, 13,2 litros de CNT poderão conter a mesma quantidade de energia que um tanque de 50 litros de gasolina.

Os CNTs podem ser usados ​​para produzir nanofios a partir de outros elementos ou moléculas, como ouro ou óxido de zinco. Por sua vez, os nanofios podem ser usados ​​para fazer nanotubos a partir de outros materiais, como o nitreto de gálio. Por exemplo, os nanotubos de nitreto de gálio são hidrofílicos, enquanto os CNTs são hidrofóbicos, portanto podem ser usados ​​em química orgânica.

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• - Aplicações de Nanotubos de Carbono.

Pesquisadores da Rice University e da State University of New York - Stony Brook mostraram que a adição de nanotubos de carbono com baixo percentual de peso pode levar a melhorias significativas nas propriedades mecânicas de nanocompósitos poliméricos biodegradáveis para aplicações de engenharia de tecidos, incluindo osso,[6]​[7][8]​ cartilagem,[9]​ músculo[10]​ e tecido nervoso.[7]​[11]​ A dispersão de um baixo percentual em peso de grafeno (~0,02% em peso) produz resultados significativos aumentos nas propriedades mecânicas de compressão e flexão dos nanocompósitos poliméricos. Pesquisadores da Rice University, da Stony Brook University, do Radboud University Nijmegen Medical Center e da University of California, Riverside demonstraram que os nanotubos de carbono e seus nanocompósitos poliméricos são materiais de estrutura adequados para a engenharia de tecidos ósseos[12]​[13][14]​ e formação óssea.[15]​.

Os nanotubos de carbono apresentam 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.[2]​

Os biossensores SWNT exibem grandes mudanças na impedância elétrica e nas propriedades ópticas, que são tipicamente moduladas pela adsorção de um alvo na superfície do CNT. Limites de detecção baixos e alta seletividade exigem engenharia de efeitos de superfície e campo CNT, 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, microarranjos para detecção de DNA e proteínas e sensores de NO.

e troponina cardíaca. Outros sensores CNT semelhantes são usados ​​na indústria alimentícia e em aplicações militares e ambientais.

Os CNTs podem ser internalizados pelas células, primeiro ligando suas pontas aos receptores da membrana celular. Isto permite a transfecção de cargas moleculares fixadas nas paredes dos CNTs ou encapsuladas por eles. Por exemplo, o medicamento anticancerígeno doxorrubicina foi carregado até 60% em peso em CNTs, em comparação com um máximo de 8 a 10% em peso em lipossomas. A liberação da carga pode ser desencadeada pela radiação infravermelha próxima. No entanto, é essencial limitar a retenção de CNTs no corpo para evitar acumulações indesejáveis.[2]​.

A toxicidade dos CNT continua a ser uma preocupação, embora a biocompatibilidade dos CNT possa ser manipulável. O grau de inflamação pulmonar causado pela injeção de SWNTs bem dispersos foi insignificante em comparação com o amianto e as partículas transportadas pelo ar. A aceitação médica dos CNTs requer a compreensão da resposta imunológica e dos padrões de exposição apropriados para inalação, injeção, ingestão e contato com a pele. As florestas de CNT imobilizadas com polímero não apresentaram uma resposta inflamatória elevada em ratos em relação aos controles. Os CNTs estão sendo estudados como eletrodos de interface neural de baixa impedância e para revestimento de cateteres para reduzir trombose.[2]​.

Fontes de raios X CNT também estão sendo desenvolvidas para imagens médicas. Com base nas propriedades únicas dos CNTs, os pesquisadores desenvolveram cátodos de emissão de campo que permitem o controle preciso dos raios X e a colocação próxima de múltiplas fontes. Fontes de raios X baseadas em CNT provaram ser eficazes em aplicações pré-clínicas de imagens de pequenos animais e estão atualmente em ensaios clínicos.

Em novembro de 2012, pesquisadores do Instituto Nacional Americano de Padrões e Tecnologia (NIST) demonstraram que nanotubos de carbono de parede única podem ajudar a proteger as moléculas de DNA contra danos oxidativos.[16]​.

Um método muito eficaz para introduzir 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.[17]​.

Além disso, nanotubos de carbono foram cultivados dentro de canais microfluídicos para análises químicas baseadas em eletrocromatografia. Neste caso, a alta relação superfície-volume e a alta hidrofobicidade dos CNTs são usadas para reduzir bastante o tempo de análise de pequenas moléculas neutras que geralmente requerem equipamentos volumosos para análise.[18]​[19]​.

Contenido

Debido a las propiedades mecánicas superiores de los nanotubos de carbono, se han propuesto muchas estructuras que van desde artículos cotidianos como ropa y equipamiento deportivo hasta chaquetas de combate y ascensores espaciales.[20]​ Sin embargo, el ascensor espacial requerirá más esfuerzos para perfeccionar la tecnología de nanotubos de carbono, ya que la resistencia práctica a la tracción de los nanotubos de carbono debe mejorar mucho.[21]​.

En perspectiva, ya se han logrado avances sobresalientes. El trabajo pionero dirigido por Ray H. Baughman en el Instituto de Nanotecnología ha demostrado que los nanotubos de paredes simples y múltiples pueden producir materiales con una dureza sin igual en los mundos natural y artificial.[22]​[23]​.

Los nanotubos de carbono también son un material prometedor como bloques de construcción en materiales compuestos jerárquicos dadas sus excepcionales propiedades mecánicas (~1 TPa en módulo y ~100 GPa en resistencia). Los intentos iniciales de incorporar los CNT en estructuras jerárquicas (como hilos, fibras o películas[24]​) han llevado a propiedades mecánicas significativamente más bajas que estos límites potenciales. La integración jerárquica de nanotubos de carbono de pared múltiple y óxidos de metal/metal dentro de una única nanoestructura puede aprovechar la potencialidad de los compuestos de nanotubos de carbono para la descomposición del agua y la electrocatálisis.[25]​ Windle et al. han utilizado un método de hilado de deposición química de vapor (CVD) in situ para producir hilos de CNT continuos a partir de aerogeles de CNT cultivados mediante CVD.[26]​[27]​[28]​ Los hilos de CNT también se pueden fabricar extrayendo paquetes de CNT de un bosque de CNT y retorciéndolos posteriormente para formar la fibra (método de estirar y torcer, vea la imagen a la derecha). El grupo Windle ha fabricado hilos CNT con resistencias de hasta ~9 GPa en longitudes de calibre pequeñas de ~1 mm, sin embargo, se informaron resistencias de solo aproximadamente ~ 1 GPa en la longitud de referencia más larga de 20 milímetros[29]​[30]​ La razón por la cual las resistencias de las fibras han sido bajas en comparación con la resistencia de los CNT individuales se debe a que no se transfirió la carga de manera efectiva a los CNT constituyentes (discontinuos) dentro de la fibra. Una posible vía para paliar este problema es la reticulación covalente entre haces y entre CNT inducida por irradiación (o deposición) para "unir" eficazmente los CNT, con niveles de dosificación más elevados que den lugar a la posibilidad de obtener fibras compuestas de carbono amorfo/nanotubos de carbono.[31]​ Espinosa et al. desarrollaron hilos compuestos de DWNT-polímero de alto rendimiento retorciendo y estirando cintas de haces de DWNT orientados aleatoriamente y recubiertos con compuestos orgánicos poliméricos. Estos hilos de DWNT-polímero mostraron una energía de rotura inusualmente alta, de ~100 J-g-1 (comparable a la de uno de los materiales naturales más resistentes, la seda de araña),[32]​ y una resistencia de hasta ~1,4 GPa.[33]​ Se están realizando esfuerzos para producir compuestos de CNT que incorporen materiales de matriz más resistentes, como el Kevlar, para mejorar aún más las propiedades mecánicas respecto a las de los CNT individuales.

Debido a la gran resistencia mecánica de los nanotubos de carbono, se está investigando cómo tejerlos en la ropa para crear prendas a prueba de puñaladas y balas. Los nanotubos impedirían eficazmente que la bala penetrara en el cuerpo, aunque la energía cinética de la bala probablemente causaría fracturas óseas y hemorragias internas.[34]​.

Los nanotubos de carbono también pueden acortar los tiempos de procesamiento y aumentar la eficiencia energética durante el curado de composites mediante el uso de calentadores estructurados con nanotubos de carbono. El autoclave es el método de referencia para el curado de materiales compuestos, pero tiene un precio elevado y limita el tamaño de las piezas. Los investigadores calculan que el curado de una pequeña sección del fuselaje de fibra de carbono y epoxi del Boeing 787 requiere 350 GJ de energía y produce 80 toneladas de dióxido de carbono. Esto es aproximadamente la misma cantidad de energía que consumirían nueve hogares en un año.[35]​ Además, la eliminación de las limitaciones de tamaño de las piezas elimina la necesidad de unir pequeños componentes de composite para crear estructuras a gran escala. Esto ahorra tiempo de fabricación y da lugar a estructuras más resistentes.

Los calentadores estructurados con nanotubos de carbono prometen sustituir a los autoclaves y hornos convencionales para el curado de composites por su capacidad para alcanzar altas temperaturas a velocidades de rampa rápidas con una gran eficiencia eléctrica y flexibilidad mecánica. Estos calentadores nanoestructurados pueden adoptar la forma de una película y aplicarse directamente al composite. Esto da lugar a una transferencia de calor conductiva, a diferencia de la transferencia de calor convectiva que utilizan los autoclaves y los hornos convencionales. Lee et al. informaron de que sólo el 50% de la energía térmica introducida en un autoclave se transfiere al composite que se está curando, independientemente del tamaño de la pieza, mientras que en un calentador de película nanoestructurada se transfiere alrededor del 90% de la energía térmica, dependiendo del proceso.[36]​.

Lee et al. consiguieron curar con éxito materiales compuestos de calidad aeroespacial utilizando un calentador de CNT fabricado "empujando en dominó" un bosque de CNT sobre una película de teflón. A continuación, esta película se colocó sobre un preimpregnado OOA (tecnología y aplicación Out of Autoclave) de 8 capas. Se incorporó aislamiento térmico alrededor del conjunto. A continuación, todo el conjunto se envasó al vacío y se calentó con una fuente de alimentación de 30 V CC. Se realizaron pruebas mecánicas y de grado de curado para comparar los composites curados de forma convencional con su configuración OOA. Los resultados mostraron que no había diferencias en la calidad del composite creado. Sin embargo, la cantidad de energía necesaria para curar el composite OOA se redujo en dos órdenes de magnitud, de 13,7 MJ a 118,8 kJ.[37]​.

Sin embargo, antes de que los nanotubos de carbono puedan utilizarse para curar los fuselajes del Boeing 787, es necesario un mayor desarrollo. El mayor reto a la hora de crear calentadores estructurados con nanotubos de carbono es conseguir una dispersión uniforme de los nanotubos en una matriz polimérica para garantizar que el calor se aplique de manera uniforme. La elevada superficie de los nanotubos de carbono genera fuertes fuerzas de Van Der Waals entre cada uno de ellos, lo que provoca su aglomeración y hace que las propiedades caloríficas no sean uniformes. Además, la matriz de polímero debe elegirse cuidadosamente para que pueda soportar las altas temperaturas generadas y los ciclos térmicos repetitivos necesarios para curar múltiples componentes compuestos.

Misturas

Os MWNTs foram usados ​​pela primeira vez como cargas eletricamente condutoras em metais, em concentrações de até 83,78% em peso (% em peso). Os compósitos de polímero MWNT atingem condutividades de até 10.000 S m a uma carga de 10% em peso. Na indústria automotiva, os plásticos CNT são utilizados na pintura assistida eletrostática de caixas de espelhos, bem como em linhas de combustível e filtros que dissipam carga eletrostática. Outros produtos incluem pacotes de blindagem contra interferência eletromagnética (EMI) e portadores de wafer de silício.[2]​.

Para aplicações de suporte de carga, os pós CNT são misturados com polímeros precursores ou resinas para aumentar a rigidez, resistência e tenacidade. Essas melhorias dependem do diâmetro, proporção, alinhamento, dispersão e interação interfacial dos CNTs. Resinas pré-misturadas e masterbatches empregam cargas de CNT de 0,1 a 20% em peso. O "stick-slip" em nanoescala entre CNTs e contatos de polímero CNT pode aumentar o amortecimento do material e melhorar os produtos esportivos, como raquetes de tênis, tacos de beisebol e quadros de bicicletas.[2]​.

As resinas CNT melhoram os compósitos de fibra, incluindo pás de turbinas eólicas e cascos de barcos de segurança marítima que são fabricados através da atualização de compósitos de fibra de carbono com resina aprimorada com CNT. Os CNTs são implementados como aditivos nos precursores orgânicos de fibras de carbono mais fortes com 1 μm de diâmetro. Os CNTs influenciam o arranjo do carbono na fibra pirolisada.[2]​

Diante do desafio de organizar CNTs em maior escala, os compósitos hierárquicos de fibras são criados pelo cultivo de florestas alinhadas em fibras de vidro, carboneto de silício (SiC), alumina e carbono, criando as chamadas fibras "difusas". Os tecidos epóxi difusos CNT-SiC e CNT-alumina apresentaram uma melhoria de 69% na resistência à trinca (modo I) e/ou resistência ao cisalhamento interlaminar no plano (modo II). As aplicações que estão sendo investigadas incluem proteção contra raios, degelo e monitoramento da saúde estrutural de aeronaves.[2]​.

Os MWNTs podem ser usados ​​como aditivos retardadores de chama para plásticos devido a mudanças na reologia devido ao carregamento de nanotubos. Esses aditivos podem substituir retardadores de chama halogenados, que enfrentam restrições ambientais.[2]​.

As misturas CNT/concreto oferecem maior resistência à tração e menor propagação de fissuras.[38]​.

Buckypaper (agregado de nanotubos) pode melhorar significativamente a resistência ao fogo graças à reflexão eficiente do calor[39]​.

Têxteis

Estudos anteriores sobre o uso de CNTs para funcionalização têxtil focaram na fiação de fibras para melhorar as propriedades físicas e mecânicas.[40]​[41]​[42]​ Recentemente, muita atenção tem sido dada ao revestimento de tecidos com CNTs. Vários métodos têm sido empregados para modificar tecidos com CNTs. Por exemplo, Panhuis et al. produziu têxteis eletrônicos inteligentes para biomonitoramento humano usando um revestimento à base de polieletrólito com CNTs.[43]​ Além disso, Panhuis et al. material têxtil tingido por imersão em uma solução de polímero PMAS de poli (2-metoxianilina-5-sulfônico) ou em uma dispersão PMAS-SWNT com melhor condutividade e capacitância com desempenho duradouro. usou um separador elastomérico e quase conseguiu um supercapacitor totalmente extensível baseado em macrofilmes de nanotubos de carbono de parede única. Foi utilizado poliuretano eletrofiado, que proporcionou boa elasticidade mecânica, e toda a célula alcançou excelente estabilidade de carga e descarga. Os CNTs têm uma estrutura de nanotubos alinhada e uma carga superficial negativa. Portanto, possuem estruturas semelhantes aos corantes diretos, portanto o método de exaustão é aplicado para o revestimento e absorção de CNT na superfície da fibra para a preparação de tecido multifuncional incluindo propriedades antibacterianas, condutoras elétricas, retardantes de chama e absorção eletromagnética.[47][48][49]​.

No futuro, os fios e folhas CNT[50] fabricados por deposição química direta de vapor (CVD) ou métodos de fiação ou trefilação poderão competir com a fibra de carbono para usos de ponta, especialmente em aplicações sensíveis ao peso que exigem funcionalidade elétrica e mecânica combinada. Fios de pesquisa feitos de CNTs de paredes baixas alcançaram uma rigidez de 357 GPa e uma resistência de 8,8 GPa para um comprimento de medida comparável ao dos CNTs milimétricos no fio. Comprimentos em escala centimétrica oferecem apenas uma resistência gravimétrica de 2 GPa, igual à do Kevlar.[2]​.

Como a probabilidade de falha crítica aumenta com o volume, os threads podem nunca atingir a resistência dos CNTs individuais. No entanto, a elevada área superficial dos CNTs pode fornecer acoplamento interfacial que atenua essas deficiências. Os fios CNT podem ser amarrados sem perda de resistência. O revestimento de folhas trefiladas de CNT com pó funcional antes da inserção por torção produz fios teceláveis, trançados e costuráveis ​​contendo até 95% em peso de pó. Seus usos incluem fios supercondutores, eletrodos de bateria e célula de combustível e têxteis autolimpantes.[2]​.

Fibras SWNT alinhadas, ainda impraticáveis, podem ser fabricadas por coagulação e fiação de suspensões de CNT. SWNTs mais baratos ou MWNTs fiados são necessários para a comercialização.[2]​ Os nanotubos de carbono podem ser dissolvidos em superácidos, como o ácido fluorossulfúrico, e esticados em fibras na fiação a jato seco e úmido.[51]​.

Os fios compostos de polímero DWNT foram fabricados torcendo e esticando fitas de feixes DWNT orientados aleatoriamente revestidos com compostos orgânicos poliméricos.

Molas de nanotubos de carbono

As "florestas" de molas MWNT esticadas e alinhadas podem atingir 10 vezes a densidade de energia das molas de aço, oferecendo durabilidade cíclica, insensibilidade à temperatura, sem descarga espontânea e sem taxa de descarga arbitrária. Espera-se que as florestas SWNT possam armazenar muito mais do que MWNTs.[58]​.

Ligas

A adição de 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-CNT têm resistência comparável à do aço inoxidável (0,7 a 1 GPa) com um terço da densidade (2,6 g cm-3), comparável à das ligas de alumínio-lítio mais caras.[2]​.

Revestimentos e filmes

Os CNTs podem servir como material de revestimento multifuncional. Por exemplo, misturas de tinta/MWNT podem reduzir a bioincrustação de cascos de navios, desencorajando a adesão de algas e cracas. Eles são uma possível alternativa às tintas contendo biocidas, perigosas para o meio ambiente.[59]​ A mistura de CNTs em revestimentos anticorrosivos para metais pode melhorar a rigidez e resistência do revestimento e fornecer um caminho para proteção catódica.[2]​.

Os CNTs são uma alternativa econômica ao ITO para vários dispositivos de consumo. Além do custo, os condutores flexíveis e transparentes dos CNTs oferecem uma vantagem sobre os frágeis revestimentos ITO (óxido de índio e estanho) para displays flexíveis. Os condutores CNT podem ser depositados a partir de solução e padronizados usando métodos como serigrafia. Os filmes SWNT oferecem 90% de transparência e resistividade de 100 ohms por quadrado. Esses filmes estão sendo desenvolvidos para aquecedores de filmes finos, por exemplo, para descongelar janelas ou calçadas.[2]​.

Florestas e espumas de nanotubos de carbono também podem ser revestidas com diversos materiais para modificar sua funcionalidade e desempenho. Os exemplos incluem CNTs revestidos de silício para criar baterias flexíveis e de alta densidade de energia,[60]​ revestimentos de grafeno para criar aerogéis altamente elásticos[61]​, e revestimentos de carboneto de silício para criar um material estrutural forte para microarquiteturas 3D de alta proporção.[62]​.

Existe uma ampla gama de métodos para converter CNTs em revestimentos e filmes.[63]​.

Uma mistura pulverizada de nanotubos de carbono e cerâmica demonstra uma capacidade sem precedentes de resistir a danos enquanto absorve a luz 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. São utilizados, por exemplo, em equipamento militar para desarmar minas não detonadas. O compósito é composto por nanotubos de carbono de paredes múltiplas e uma cerâmica de silício, carbono e nitrogênio. O boro aumenta a temperatura de decomposição. Nanotubos e carbono semelhante ao grafeno transmitem bem o calor, enquanto a cerâmica resistente à oxidação aumenta a resistência a danos. Para criar o revestimento, os nanotubos foram dispersos em tolueno, ao qual foi adicionado um polímero líquido transparente contendo boro. A mistura foi aquecida a 1100°C (2010°F). O resultado foi moído até formar um pó fino, novamente disperso em tolueno e pulverizado em uma fina camada sobre uma superfície de cobre. O revestimento absorveu 97,5% da luz de um laser infravermelho distante e tolerou 15 quilowatts por centímetro quadrado durante 10 segundos. A tolerância a danos é aproximadamente 50% maior do que revestimentos semelhantes, por exemplo, apenas nanotubos e tinta de carbono.[64]​[65]​.

Os radares operam na faixa de frequência de micro-ondas, que pode ser absorvida pelos MWNTs. A aplicação de MWNTs à aeronave faria com que eles fossem absorvidos pelo radar e, portanto, parecessem ter uma seção transversal de radar menor. Uma dessas aplicações poderia ser pintar os nanotubos do avião. Recentemente, a Universidade de Michigan estudou a utilidade dos nanotubos de carbono como tecnologia de camuflagem em aviões. Foi descoberto que, além de absorverem o radar, os nanotubos não refletem nem espalham a luz visível, por isso são praticamente invisíveis à noite, como se os atuais aviões furtivos fossem pintados de preto, mas com muito mais eficácia. No entanto, as atuais limitações de fabricação tornam impossível a produção de aeronaves revestidas com nanotubos. Uma teoria para superar essas limitações atuais é revestir pequenas partículas com nanotubos e suspender as partículas revestidas com nanotubos em um meio como tinta, que pode então ser aplicado a uma superfície, como uma aeronave furtiva.[66]​.

Se han fabricado transistores basados en nanotubos, también conocidos como transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNTFET), que funcionan a temperatura ambiente y son capaces de conmutar digitalmente utilizando un solo electrón.[69]​ Sin embargo, uno de los principales obstáculos para la realización de los nanotubos ha sido la falta de tecnología para su producción en masa. En 2001, investigadores de IBM demostraron que los nanotubos metálicos pueden destruirse y dejar los semiconductores para utilizarlos como transistores. Su proceso se denomina "destrucción constructiva", que incluye la destrucción automática de nanotubos defectuosos en la oblea "Oblea (electrónica)").[70]​ Sin embargo, este proceso sólo permite controlar las propiedades eléctricas a escala estadística.Los SWNT resultan atractivos para los transistores por su baja dispersión de electrones y su banda prohibida. Los SWNT son compatibles con las arquitecturas de los transistores de efecto de campo (FET) y los dieléctricos de alta k. A pesar de los avances logrados tras la aparición del transistor de CNT en 1998, cabe destacar un FET de efecto túnel con una oscilación subumbral de <60 mV por década (2004), un radio (2007) y un FET con una longitud de canal inferior a 10 nm y una densidad de corriente normalizada de 2,41 mA μm-1 a 0,5 V, superior a las obtenidas para dispositivos de silicio.

Sin embargo, el control del diámetro, quiralidad, densidad y ubicación sigue siendo insuficiente para la producción comercial. Los dispositivos menos exigentes de decenas a miles de SWNT son más prácticos de inmediato. El uso de matrices/transistores CNT aumenta la corriente de salida y compensa los defectos y las diferencias de quiralidad, mejorando la uniformidad y la reproducibilidad del dispositivo. Por ejemplo, los transistores que utilizan matrices CNT alineadas horizontalmente lograron movilidades de 80 cm V s, pendientes subliminales de 140 mV por década y relaciones de encendido/apagado de hasta 10. Los métodos de deposición de película CNT permiten la fabricación convencional de semiconductores de más de 10 000 dispositivos CNT por chip.

Los transistores de película fina (TFT) de CNT impresos resultan atractivos para accionar pantallas de diodos orgánicos emisores de luz, ya que presentan una movilidad superior a la del silicio amorfo (~1 cm V s) y pueden depositarse por métodos de baja temperatura y sin vacío. Se demostraron TFT de CNT flexibles con una movilidad de 35 cm V s y una relación de encendido/apagado de 6×10. Un FET vertical de CNT mostró una salida de corriente suficiente para accionar OLEDs a bajo voltaje, permitiendo la emisión rojo-verde-azul a través de una red transparente de CNTs. Se está estudiando la posibilidad de utilizar CNT en etiquetas de identificación por radiofrecuencia. Se demostró la retención selectiva de los SWNT semiconductores durante el recubrimiento por rotación y la reducción de la sensibilidad a los adsorbatos.La Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para semiconductores sugiere que los CNT podrían sustituir a las interconexiones de Cu") en los circuitos integrados, debido a su baja dispersión, su alta capacidad de transporte de corriente y su resistencia a la electromigración. Para ello, se necesitan vías formadas por CNT metálicos densamente empaquetados (>10 cm) con baja densidad de defectos y baja resistencia de contacto. Recientemente se han demostrado interconexiones compatibles con semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) de 150 nm de diámetro con una resistencia de orificio de contacto de CNT de 2,8 kohmios en obleas de 200 mm de diámetro. Además, como sustitutos de los puntos de soldadura, los CNT pueden funcionar como conductores eléctricos y disipadores de calor en amplificadores de alta potencia.

Por último, se ha adaptado para su comercialización un concepto de memoria no volátil basada en interruptores electromecánicos individuales de barras cruzadas de CNT mediante el estampado de películas finas de CNT desordenadas como elementos funcionales. Para ello ha sido necesario desarrollar suspensiones ultrapuras de CNT que puedan recubrirse por rotación y procesarse en entornos industriales de sala blanca y, por tanto, sean compatibles con las normas de procesamiento CMOS.

Transistores

Transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono (CNTFET) podem operar em temperatura ambiente e são capazes de comutação digital usando um único elétron. alinhamento desejado, o orçamento térmico e a resistência dos contatos.

Um dos principais desafios foi 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.[73]​ Ao fazer isso, todas as suas diferenças elétricas são calculadas em média e dispositivos em grande escala podem ser produzidos no nível do wafer.[74]​ Esta abordagem foi patenteada pela primeira vez pela Nanomix Inc.[75]​ (data de aplicação original em junho de 2002[76]​). Foi publicado pela primeira vez na literatura acadêmica pelo Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos em 2003 por meio de um artigo de pesquisa independente. Essa abordagem também permitiu à Nanomix fabricar o primeiro transistor em um substrato flexível e transparente.[77]​[78]​.

Como o caminho livre médio dos elétrons nos SWCNTs pode exceder 1 micrômetro, os CNTFETs de canal longo exibem características de transporte quase balísticas, resultando em altas velocidades. Espera-se que os dispositivos CNT operem em frequências de centenas de gigahertz.[79][80][81][82][83]​.

Os nanotubos podem crescer em nanopartículas metálicas magnéticas (Fe, Co), facilitando a produção de dispositivos eletrônicos (spintrônicos). Em particular, foi demonstrado o controle da corrente através de um transistor de efeito de campo usando um campo magnético em uma nanoestrutura de tubo único [84].

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 "Wafer (eletrônico)".[70] No entanto, este processo só permite o controle das propriedades elétricas em escala estatística. Em 2003, foram publicados transistores balísticos de temperatura ambiente com contatos metálicos ôhmicos e dielétrico de alto kP, que geravam entre 20 e 30 vezes mais corrente do que os mais avançados Mosfets de silício. O paládio é um metal com alta função de trabalho que apresenta contatos sem barreira Schottky) com nanotubos semicondutores com diâmetros > 1,7 nm.[85]​.

O potencial dos nanotubos de carbono foi demonstrado em 2003, quando foram publicados transistores balísticos de temperatura ambiente com contatos metálicos ôhmicos e dielétricos de alto kP, mostrando uma corrente ON 20-30 vezes maior que a dos MOSFETs de Si mais avançados. Isto representou um avanço importante neste campo, uma vez que foi demonstrado que os CNT poderiam potencialmente superar os de Si. Naquela época, a formação de contatos metálicos ôhmicos era um dos principais desafios. Nesse sentido, foi demonstrado que o paládio, que é um metal com alta função de trabalho, apresentava contatos sem barreira Schottky com nanotubos semicondutores com diâmetros >1,7 nm.[86][87]​.

Gerenciamento térmico

Grandes estruturas de nanotubos de carbono podem ser usadas para gerenciamento térmico de circuitos eletrônicos. Uma camada de nanotubos de carbono com cerca de 1 mm de espessura foi usada como material especial para fazer refrigeradores, este material tem uma densidade muito baixa, ~20 vezes menos peso que uma estrutura de cobre semelhante, enquanto as propriedades de resfriamento são semelhantes para os dois materiais.[96]​.

O Buckypaper possui características adequadas para uso como dissipador de calor para aglomerados, retroiluminação para telas LCD ou como gaiola de Faraday.

Uma das aplicações mais promissoras dos nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs) é a sua utilização em painéis solares, devido às suas fortes características de absorção UV/Vis-NIR. A pesquisa mostrou que eles podem proporcionar um aumento significativo na eficiência, mesmo no estado atual não otimizado. As células solares desenvolvidas no Instituto de Tecnologia de Nova Jersey usam um complexo de nanotubos de carbono, composto por uma mistura de nanotubos de carbono e fulerenos de carbono (conhecidos como fulerenos) para formar estruturas em forma de cobra. As fulerenos prendem elétrons, mas não conseguem fazê-los fluir.[97]​[98]​ Se a luz solar for adicionada para excitar os polímeros, as fulerenos prenderão os elétrons. Os nanotubos, que se comportam como fios de cobre, serão então capazes de fluir elétrons ou corrente.[97] Pesquisas adicionais foram realizadas para a criação de painéis solares SWNT híbridos para aumentar ainda mais a eficiência. Esses híbridos são criados combinando SWNTs com doadores de elétrons fotoexcitáveis ​​para aumentar o número de elétrons gerados. Descobriu-se que a interação entre a porfirina fotoexcitável e os SWNTs gera pares de eletrofuros nas superfícies dos SWNTs. Este fenômeno foi observado experimentalmente e praticamente contribui para um aumento na eficiência de até 8,5%.[99]​.

Os nanotubos podem potencialmente substituir o óxido de índio e estanho nas células solares como uma película condutora transparente nas células solares para permitir que a luz passe para as camadas ativas e gere fotocorrente.[100]​.

Os CNTs em células solares orgânicas ajudam a reduzir a perda de energia (recombinação de portadores) e melhoram a resistência à fotooxidação. As tecnologias fotovoltaicas podem um dia incorporar heterojunções CNT-silício para aproveitar a geração eficiente de múltiplos excitons em junções pn formadas dentro de CNTs individuais. No curto prazo, a energia fotovoltaica comercial pode incorporar eletrodos SWNT transparentes.[2]​.

Además de poder almacenar energía eléctrica, se ha investigado el uso de nanotubos de carbono para almacenar hidrógeno y utilizarlo como fuente de combustible. Aprovechando los efectos capilares de los pequeños nanotubos de carbono, es posible condensar gases en alta densidad dentro de nanotubos de pared simple. Esto permite almacenar gases, sobre todo hidrógeno (H), a altas densidades sin que se condensen en un líquido. Potencialmente, este método de almacenamiento podría utilizarse en vehículos en lugar de los depósitos de combustible para un coche impulsado por hidrógeno. Uno de los problemas actuales de los vehículos de hidrógeno es el almacenamiento del combustible a bordo. Los métodos de almacenamiento actuales implican enfriar y condensar el gas H hasta un estado líquido para su almacenamiento, lo que provoca una pérdida de energía potencial (25-45%) en comparación con la energía asociada al estado gaseoso. El almacenamiento mediante SWNTs permitiría mantener el H en estado gaseoso, aumentando así la eficiencia del almacenamiento. Este método permite una relación volumen/energía ligeramente inferior a la de los vehículos de gas actuales, lo que permite una autonomía ligeramente inferior pero comparable.[101]​.

La eficacia del almacenamiento de hidrógeno mediante adsorción en nanotubos de carbono es un tema controvertido y objeto de frecuentes experimentos. La eficacia del almacenamiento de hidrógeno es fundamental para su uso como fuente primaria de combustible, ya que el hidrógeno sólo contiene aproximadamente una cuarta parte de la energía por unidad de volumen que la gasolina. Sin embargo, los estudios demuestran que lo más importante es la superficie de los materiales utilizados. Así, un carbón activado con una superficie de 2.600 m/g puede almacenar hasta un 5,8% p/p. (Porcentaje Peso a Peso (%P/P)[102]​ en Disoluciones) En todos estos materiales carbonosos, el hidrógeno se almacena por fisisorción a 70-90K.[103]​.

Capacidade experimental

Um experimento[104] tentou determinar a quantidade de hidrogênio armazenado em CNTs usando análise de detecção de recuo elástico (ERDA). Os CNTs (principalmente SWNTs) foram sintetizados por deposição química de vapor (CVD) e submetidos a um processo de purificação em dois estágios que incluiu oxidação do ar e tratamento ácido. Discos planos e uniformes foram então formados e expostos ao hidrogênio puro pressurizado em várias temperaturas. Quando os dados foram analisados, descobriu-se que a capacidade dos CNTs de armazenar hidrogênio diminuía à medida que a temperatura aumentava. Além disso, a maior concentração de hidrogénio medida foi de ~0,18%; significativamente inferior ao que deveria ser um armazenamento de hidrogénio comercialmente viável. Outro trabalho experimental realizado utilizando um método gravimétrico também revelou que a capacidade máxima de absorção de hidrogênio dos CNTs era tão baixa quanto 0,2%.[105]

Em outro experimento, nantubos de carbono foram sintetizados por CVD e sua estrutura foi caracterizada por espectroscopia Raman. Usando 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 acima. As amostras purificadas foram então expostas ao gás hidrogênio em várias altas pressões e sua porcentagem de adsorção por 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 certas. Acredita-se que a digestão por microondas ajuda a melhorar a capacidade de adsorção de hidrogênio de CNTs abrindo 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 nanotubos. Os métodos atuais de síntese de CNT requerem uma etapa de purificação. Contudo, mesmo com nanotubos puros, a capacidade de adsorção só é maximizada sob altas pressões, o que não é desejável em tanques de combustível comerciais.

Varias empresas están desarrollando películas CNT transparentes y conductoras de electricidad y nanobuds") para reemplazar al óxido de indio y estaño (ITO) en LCD, pantallas táctiles y dispositivos fotovoltaicos. Las películas de nanotubos son prometedoras para su uso en pantallas de computadoras, teléfonos celulares, asistentes digitales personales y cajeros automáticos .[106]​ Los diodos CNT muestran un efecto fotovoltaico .

Los nanotubos de paredes múltiples ( MWNT recubiertos con magnetita ) pueden generar fuertes campos magnéticos. Avances recientes muestran que MWNT recubiertos con nanopartículas de maghemita se puede orientar en un campo magnético[107]​ y mejorar las propiedades eléctricas del material compuesto en la dirección del campo para su uso en escobillas de motores eléctricos .[108]​.

Una capa de nanotubos de pared simple ( SWNT ) enriquecidos con hierro al 29 % colocado encima de una capa de material explosivo como PETN puede encenderse con un flash de cámara normal.[109]​.

Los CNT se pueden usar como cañones de electrones en tubos de rayos catódicos (CRT) en miniatura en pantallas de alto brillo, baja energía y bajo peso. Una pantalla consistiría en un grupo de diminutos CRT, cada uno de los cuales proporciona los electrones para iluminar el fósforo "Fósforo (sustancia fosforescente)") de un píxel, en lugar de tener un CRT cuyos electrones se dirigen mediante campos eléctricos y magnéticos. Estas pantallas se conocen como pantallas de emisión de campo (FED).

Los CNT pueden actuar como antenas para radios y otros dispositivos electromagnéticos .[110]​.

Los CNT conductores se utilizan en escobillas "Escobilla (electricidad)") para motores eléctricos comerciales. Reemplazan al negro de humo tradicional. Los nanotubos mejoran la conductividad eléctrica y térmica porque se extienden a través de la matriz plástica de la escobilla. Esto permite que el relleno de carbón se reduzca del 30 % al 3,6 %, de modo que haya más matriz presente en la escobilla. Las escobillas de motor compuestas de nanotubos están mejor lubricadas (desde la matriz), funcionan más frías (tanto por una mejor lubricación como por una conductividad térmica superior), menos quebradizas (más matriz y refuerzo de fibra), más fuertes y moldeables con mayor precisión (más matriz). Dado que las escobillas son un punto crítico de falla en los motores eléctricos y además no necesitan mucho material, se volvieron económicas antes que casi cualquier otra aplicación.

Los cables para transportar corriente eléctrica pueden fabricarse a partir de nanotubos y compuestos de nanotubos y polímeros. Se han fabricado alambres pequeños con conductividad específica superior al cobre y al aluminio;[111]​[112]​ los cables no metálicos de mayor conductividad.

Los CNT están bajo investigación como alternativa a los filamentos de tungsteno en las bombillas incandescentes.

Interconexões

Os nanotubos metálicos de carbono têm despertado interesse de pesquisa por sua aplicabilidade como interconexões de integração em grande escala (VLSI) devido à sua alta estabilidade térmica, alta condutividade térmica e grande capacidade de transporte de corrente. uma temperatura elevada de 250 graus Celsius (482 °F), eliminando as preocupações com a confiabilidade da eletromigração que afetam as interconexões de Cu. [119]​ Trabalhos de modelagem recentes comparando os dois mostraram que as interconexões de pacotes CNT podem potencialmente oferecer vantagens sobre o cobre. Medições detalhadas de condutância em uma ampla faixa de temperatura concordam com a teoria de um condutor quase unidimensional fortemente desordenado.

Interconexões híbridas usando vias CNT juntamente com interconexões de cobre podem oferecer vantagens do ponto de vista da confiabilidade e do gerenciamento térmico.[122]​ Em 2016, a União Europeia financiou um projeto de três anos de 4 milhões de euros para avaliar a capacidade de fabricação e o desempenho de interconexões compostas usando CNT e interconexões de cobre. O projeto, denominado CONNECT (CarbON Nanotube compositE InterconneCTs),[123]​ reúne os esforços de sete parceiros europeus da indústria e de pesquisa em torno de técnicas e processos de fabricação que permitem que nanotubos de carbono confiáveis ​​sejam usados ​​para interconexões no chip na produção de microchips ULSI.

Cabos e fios elétricos

Fios condutores de corrente elétrica podem ser feitos de nanotubos puros ou de compósitos nanotubos-polímeros. Já foi demonstrado que cabos de nanotubos de carbono podem ser usados ​​com sucesso para a transmissão de energia ou dados.[124] Recentemente, pequenos cabos foram fabricados com uma condutividade específica superior à do cobre e do alumínio;[125]​[126]​ esses cabos são os cabos de nanotubos de carbono com a maior condutividade e também os cabos não metálicos com a maior condutividade. Recentemente, foi demonstrado que os compósitos de nanotubos de carbono e cobre têm uma capacidade de transporte de corrente quase cem vezes maior que a do cobre puro ou do ouro.[127] Além disso, a condutividade elétrica deste composto é semelhante à do cobre puro. Assim, este compósito de nanotubos de carbono e cobre (CNT-Cu) possui a maior capacidade de condução de corrente observada entre os condutores elétricos. Assim, para uma determinada seção transversal de condutor elétrico, o compósito CNT-Cu pode suportar e transportar uma corrente cem vezes superior à de metais como cobre e ouro.

El uso de CNT como soporte de catalizadores en pilas de combustible puede reducir potencialmente el uso de platino en un 60% en comparación con el negro de humo. Los CNT dopados pueden permitir la eliminación completa del Pt.[2]​.

supercapacitor

O Laboratório de Pesquisa Eletrônica do MIT usa nanotubos para melhorar supercapacitores. O carvão ativado usado em ultracapacitores convencionais possui muitos pequenos espaços ocos de vários tamanhos, que juntos criam uma grande área de superfície para armazenar carga elétrica. Mas como a carga é quantizada em cargas elementares, isto é, electrões, e cada carga elementar necessita de um espaço mínimo, uma fracção significativa da superfície do eléctrodo não está disponível para armazenamento porque os espaços vazios não são compatíveis com os requisitos de carga. Com um eletrodo de nanotubo, as lacunas podem ser adaptadas ao tamanho (algumas muito grandes ou muito pequenas) e, consequentemente, a capacidade deve aumentar consideravelmente.[128]​.

Um supercapacitor de 40 F com uma tensão máxima de 3,5 V usando SWNTs cultivados sem aglutinantes ou aditivos alcançou uma densidade de energia de 15,6 Wh · kg e uma densidade de potência de 37 kW · kg. Os CNTs podem ser anexados às placas de carga dos capacitores para aumentar drasticamente a área de superfície e, portanto, a densidade de energia.

Baterias

As interessantes propriedades eletrônicas dos nanotubos de carbono (CNTs) têm se mostrado promissoras no campo das baterias, onde estão sendo experimentadas como um novo material de eletrodo, particularmente o ânodo das baterias de íon-lítio.[130] Isso ocorre porque o ânodo requer uma capacidade reversível relativamente alta em um potencial próximo ao do lítio metálico, e uma capacidade irreversível moderada, observada até agora apenas para compostos à base de grafite, como os CNTs. Foi demonstrado que eles melhoram muito a capacidade e a ciclabilidade das baterias de íons de lítio, bem como a capacidade de serem componentes de buffer altamente eficazes, aliviando a degradação da bateria que geralmente é devida a cargas e descargas repetidas. Além disso, o transporte eletrônico no ânodo pode ser bastante melhorado usando CNTs altamente metálicos.[131]​.

Mais especificamente, os CNTs mostraram capacidades reversíveis de 300 a 600 mAhg, com alguns tratamentos para eles mostrando esses números aumentando até 1000 mAhg.[132] Enquanto isso, o grafite, que é o material mais utilizado como ânodo dessas baterias de lítio, apresentou capacidades de apenas 320 mAhg-1. Ao criar compósitos a partir de CNTs, os cientistas veem muitas possibilidades de aproveitar essas capacidades excepcionais, bem como sua excelente resistência mecânica, condutividades e baixas densidades.[131]​.

MWNTs são usados ​​​​em cátodos de baterias de íons de lítio. Nessas baterias, pequenas quantidades de pó MWNT são misturadas com materiais ativos e um aglutinante polimérico, como carga de 1% em peso de CNT em cátodos LiCoO e ânodos de grafite. Os CNTs aumentam a conectividade elétrica e a integridade mecânica, o que melhora a capacidade de carga e a vida útil.[2]​.

Uma bateria de papel ") é uma bateria projetada para usar uma folha de celulose fina como papel (que é o principal componente do papel comum, entre outras coisas) infundida com nanotubos de carbono alinhados. fino, indicando a necessidade de baterias de papel. Recentemente,[133] foi demonstrado que superfícies revestidas com CNT podem ser usadas para substituir metais pesados em baterias.[136] Mais recentemente, baterias de papel funcionais foram demonstradas, nas quais uma bateria de íon de lítio é integrada em uma única folha de papel por meio de um processo de laminação como um composto com LiTiO (LTO) ou LiCoO (LCO), enquanto os filmes CNT atuam como coletores de corrente tanto para o ânodo quanto para o cátodo. Esses dispositivos de energia recarregável mostram potencial em etiquetas RFID, embalagens funcionais ou novas aplicações eletrônicas descartáveis.

Melhorias nas baterias de chumbo-ácido também foram demonstradas, com base em pesquisas conduzidas pela Universidade Bar-Ilan usando SWCNTs de alta qualidade fabricados pela OCSiAl. O estudo demonstrou um aumento na vida útil das baterias de chumbo-ácido de 4,5 vezes e um aumento na capacidade de 30% em média e até 200% em altas taxas de descarga.[138][139]​.

Os CNTs podem ser usados ​​para transportar e dessalinizar água. 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. Comparada a uma simples membrana "Membrana (objeto)"), ela opera a uma temperatura 20 °C mais baixa e a uma vazão 6 vezes maior.[138]​[139]​[140]​ 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 CNT podem purificar água potável contaminada. Essas redes podem oxidar eletroquimicamente contaminantes orgânicos, bactérias e vírus.[2]​.

As membranas CNT podem filtrar o dióxido de carbono das emissões das usinas de energia.

Os CNTs podem ser preenchidos com moléculas biológicas, o que ajuda a biotecnologia.

Os CNTs podem armazenar entre 4,2 e 65% de hidrogênio em peso. Se puderem ser produzidos em massa de forma econômica, 13,2 litros de CNT poderão conter a mesma quantidade de energia que um tanque de 50 litros de gasolina.

Os CNTs podem ser usados ​​para produzir nanofios a partir de outros elementos ou moléculas, como ouro ou óxido de zinco. Por sua vez, os nanofios podem ser usados ​​para fazer nanotubos a partir de outros materiais, como o nitreto de gálio. Por exemplo, os nanotubos de nitreto de gálio são hidrofílicos, enquanto os CNTs são hidrofóbicos, portanto podem ser usados ​​em química orgânica.

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