Em 2006, Marc Monthioux e Vladimir Kuznetsov publicaram em um editorial na revista Carbon a história da descoberta dos nanotubos de carbono. impacto e promoveu pesquisas sobre as aplicações de nanotubos de carbono. No entanto, as primeiras observações de nanotubos de carbono datam de muito antes: em 1952, Radushkevich e Lukyanovich publicaram imagens nítidas de tubos de carbono com 50 nanômetros de diâmetro no Journal of Physical Chemistry Of Russia.[7] Este artigo passou em grande parte despercebido, devido à sua publicação em russo e ao acesso limitado dos cientistas ocidentais à imprensa soviética durante a Guerra Fria. Monthioux e Kuznetsov mencionaram em seu editorial:

Em 1976, Morinobu Endo do CNRS sintetizou tubos ocos de folhas laminadas de grafite usando uma técnica de crescimento em fase de vapor. Os primeiros espécimes observados seriam mais tarde conhecidos como nanotubos de carbono de parede única ou SWNTs. Endo, em seu estudo inicial sobre fibras de carbono, também observou um tubo oco, estendido linearmente, com faces paralelas de camadas de carbono próximas ao núcleo da fibra.[8] Esta parece ser a primeira observação de nanotubos de carbono de paredes múltiplas ou MWCNTs. Hoje, os nanotubos de carbono de paredes múltiplas produzidos em massa são obtidos por um método semelhante ao desenvolvido por Endo, na verdade chamado de "processo Endo", em reconhecimento aos seus primeiros trabalhos e patentes. Em 1979, John Abrahamson apresentou um artigo na 14ª Conferência Bienal de Carbono da Universidade Estadual da Pensilvânia que descreveu nanotubos de carbono como fibras de carbono produzidas em ânodos de carbono durante uma descarga de arco. Abrahamson caracterizou essas fibras e propôs uma hipótese para seu crescimento em uma atmosfera de nitrogênio a baixas pressões.[10]​.

Em 1981, um grupo de cientistas soviéticos publicou os resultados da caracterização química e estrutural de nanopartículas de carbono produzidas por uma desproporção termocatalítica de monóxido de carbono. Usando imagens TEM e entre elas, uma conformação circular (nanotubo poltrona) e um arranjo helicoidal espiral (tubo quiral).[11]​.

Em 1987, Howard G. Tennent da Hyperion Catalysis recebeu uma patente nos EUA para a produção de “fibrilas de carbono discretas cilíndricas” com um diâmetro fixo entre aproximadamente 3,5 e 70 nm, um comprimento duas ordens de grandeza maior que o diâmetro e uma região externa composta de múltiplas camadas essencialmente contínuas de átomos de carbono ordenados e um núcleo interno distinto.

A descoberta de Iijima em 1991 de nanotubos de carbono de paredes múltiplas no material insolúvel resultante da queima de barras de grafite com um arco elétrico gerou intenso interesse entre a comunidade científica, assim como a previsão independente de Mintmire, Dunlap e White de que se nanotubos de carbono de parede única pudessem ser feitos, eles exibiriam propriedades condutoras notáveis. A pesquisa de nanotubos foi bastante acelerada após as descobertas de Iijima e Ichihashi na NEC e Bethune et al. na IBM de métodos para produzir nanotubos de carbono de parede única adicionando catalisadores de metais de transição ao carbono em uma descarga de arco. Tess e colaboradores refinaram este método catalítico vaporizando a combinação carbono/metal de transição em um forno de alta temperatura, melhorando significativamente o rendimento e a pureza dos nanotubos e subsequentes experimentos de caracterização e aplicação. A técnica de descarga de arco, conhecida por produzir moléculas de buckminsterfulereno em quantidades suficientes para explorar suas propriedades,[12] desempenhou, portanto, um papel importante nas descobertas de nanotubos de parede única e de parede múltipla e estendeu a série de descobertas fortuitas relacionadas aos fulerenos.

Em 2020, a escavação arqueológica Keezhadi em Tamil Nadu, na Índia, revelou cerâmicas com cerca de 2.500 anos cujos revestimentos parecem conter nanotubos de carbono. As fortes propriedades mecânicas dos nanotubos poderiam ter contribuído para a preservação dos revestimentos por tantos anos.[13]​.

A estrutura de um nanotubo de carbono de parede única ideal (infinitamente longo) é a de uma rede hexagonal regular disposta sobre uma superfície cilíndrica infinita, cujos vértices são as posições dos átomos de carbono. Como o comprimento das ligações carbono-carbono é mais ou menos fixo, o diâmetro do cilindro e as posições dos átomos nele não são arbitrários, mas estão restritos a certos valores.[14]​.

Para caracterizar a estrutura dos nanotubos, um traço em zigue-zague em uma rede hexagonal semelhante ao grafeno é definido como um caminho "Caminho (teoria dos grafos)") que gira 60°, alternando para a esquerda e para a direita, após atravessar cada ligação. Por convenção, uma caminhada que descreve duas voltas à esquerda seguidas de duas voltas à direita a cada quatro passos é chamada de "caminhada na poltrona". Em alguns nanotubos de carbono, um caminho em ziguezague fechado pode ser traçado ao redor do tubo, e o tubo é classificado como um tipo ou configuração em ziguezague, ou simplesmente como um "nanotubo em ziguezague". Se, por outro lado, o traço ao redor do tubo for um caminho fechado de poltrona, diz-se que é do tipo poltrona ou "nanotubo de poltrona". Os nanotubos infinitos em zigue-zague ou poltrona consistem inteiramente em caminhos fechados em zigue-zague ou poltrona, conectados entre si.

As configurações em ziguezague e poltrona não são as únicas conformações que um nanotubo de parede única pode adotar; A estrutura de um tubo infinitamente longo pode ser representada como seções imaginárias formadas por um corte paralelo ao seu eixo que passa por um átomo A; As seções são sobrepostas à estrutura formada por uma folha plana de grafeno para que os átomos e as ligações coincidam. As duas metades do átomo A estão localizadas em bordas opostas da tira, acima dos átomos A1 e A2 do grafeno. A linha de A1 a A2 corresponde à circunferência do cilindro por onde passa o átomo A e é perpendicular às bordas do corte. Na rede do grafeno, os átomos podem ser divididos em duas classes, dependendo das direções de suas três ligações. Em metade dos átomos, suas três ligações estão orientadas da mesma maneira, enquanto na outra metade as ligações são giradas 180°. Os átomos A1 e A2, que correspondem ao mesmo átomo A no cilindro, devem ser da mesma classe. Segue-se que a circunferência do tubo e o ângulo da seção dependem dos comprimentos e direções das linhas que conectam pares de átomos de grafeno da mesma classe.

Sejam y dois vetores linearmente independentes conectando o átomo de grafeno A1 aos seus dois átomos mais próximos com as mesmas direções de ligação. Ou seja, se os carbonos dispostos consecutivamente em torno de uma célula de grafeno são denominados C1 - C6, então é o vetor entre C1 e C3 e o vetor entre C1 e C5. Então, para qualquer outro átomo A2 com a mesma classe que A1, o vetor de A1 a A2 pode ser escrito como uma combinação linear, onde e são inteiros. E, inversamente, cada par de inteiros (,) define uma posição possível de A2.[14]​.

Dado e, você pode reverter a operação teórica e desenhar o vetor na rede de grafeno, cortar uma tira ao longo das linhas perpendiculares às suas extremidades A1 e A2 e enrolar a tira em um cilindro que une os dois pontos. Se esta construção for aplicada a um par (k ,0), o resultado é um nanotubo em zigue-zague, com caminhos em zigue-zague fechados de 2 k átomos. Se aplicado a um par ( k, k ), obtemos um tubo poltrona, com caminhos poltrona fechados de 4 k átomos.

Contenido

La estructura del nanotubo no cambia si la tira se gira 60° en el sentido de las agujas del reloj alrededor de A1 antes de aplicar la reconstrucción hipotética descrita anteriormente. Tal rotación cambia el par (,) al par (,). De ello se deduce que muchas de las posibles posiciones de A2 con respecto a A1, es decir, muchos pares (,), corresponden a la misma disposición de átomos en el nanotubo. Ese es el caso, por ejemplo, de los seis pares (1,2), (-2,3), (-3,1), (-1,-2), (2,-3) y (3 ,-1). En particular, los pares ( k ,0) y (0, k ) describen la misma geometría del nanotubo. Esta redundancia se puede evitar considerando sólo pares (,) tales que 0 y 0; es decir, donde la dirección del vector se encuentre entre las de (inclusive) y (exclusive). Se puede verificar que todo nanotubo tiene exactamente un par (,) que cumple esas condiciones, al que se denomina «tipo de tubo».

Dos nanotubos pertenecen al mismo tipo si, y solo si, coincididen exactamente con el otro trans una rotación y traslación. En lugar del tipo (,), la estructura de un nanotubo de carbono se puede especificar con la longitud del vector (es decir, la circunferencia del nanotubo) y el ángulo entre las direcciones y , comprendido entre 0 (inclusive) y 60° (exclusive) en el sentido de las agujas del reloj. Si el diagrama se dibuja con horizontal, define la inclinación de la tira con respecto de la vertical.

Quiralidade e simetria de espelho

Um nanotubo é quiral se for do tipo (,) com e; Seu enantiômero (imagem espelhada) é do tipo (,). Os únicos tipos de nanotubos aquirais são os tubos de configuração em zigue-zague (k,0) e os tubos de configuração de poltrona (k,k). Como os enantiômeros possuem a mesma estrutura, apenas os tipos (,) com e podem ser considerados. O ângulo entre e , que pode assumir valores entre 0 e 30°, é chamado de “ângulo quiral” do nanotubo.

Circunferência e diâmetro

A partir de y você pode calcular a circunferência, que é o comprimento do vetor:.

O diâmetro do tubo é:.

Estas fórmulas são apenas aproximações, especialmente para y pequeno onde as ligações são tensas; Também não levam em consideração a espessura da parede.

O ângulo entre y e a circunferência está relacionado aos índices e por:.

onde é o ângulo no sentido horário entre a horizontal e o vetor de coordenadas. Por sua vez, dados e , o tipo pode ser obtido por meio das fórmulas:.

que deve resultar em números inteiros.

Diâmetro

Se os índices tiverem valores extremamente baixos, a estrutura da molécula não é tubular e em muitos casos nem sequer é estável. Por exemplo, a estrutura definida pelo par (1,0), do tipo zigue-zague, é simplesmente uma cadeia de carbonos; Na verdade, essa molécula existe: é chamada de carbino e compartilha algumas propriedades com os nanotubos – como hibridização orbital e alta resistência à tração, entre outras – mas não possui um espaço oco em seu interior e pode não ser capaz de ser sintetizada como uma fase condensada. O par (2,0) teoricamente produziria uma cadeia de quatro anéis fundidos; e (1,1), o tipo poltrona consistiria em uma corrente de quatro anéis biconectados. Essas estruturas não foram observadas experimentalmente.

O nanotubo de carbono mais fino observado é a estrutura poltrona do tipo (2,2), que possui diâmetro de 0,3 nm. Este nanotubo foi cultivado dentro de um nanotubo de carbono com paredes múltiplas. A atribuição do tipo de nanotubo foi realizada usando uma combinação de métodos de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), espectroscopia Raman e teoria do funcional de densidade (DFT).

O nanotubo de carbono de parede única mais fino isolado como uma molécula independente tem aproximadamente 0,43 nm de diâmetro. Foi sugerido que pode ser do tipo (5,1) ou (4,2).

Comprimento

Os nanotubos de carbono mais longos observados em 2013 tinham cerca de 0,5 m de comprimento. Esses nanotubos foram cultivados em substratos de silício usando um método aprimorado de deposição química de vapor (CVD) e formam matrizes eletricamente uniformes de nanotubos de carbono de parede única.

O nanotubo de carbono mais curto é considerado o composto orgânico cicloparafenileno, sintetizado em 2008 por Ramesh Jasti.[19] Desde então, outras pequenas moléculas compostas de nanotubos de carbono foram sintetizadas.[20]​.

Densidade

Os nanotubos de maior densidade foram obtidos em 2013, por cultivo em superfície de cobre revestida de titânio revestida com os cocatalisadores cobalto e molibdênio em temperaturas inferiores aos típicos 450 ° C, esses tubos atingiram comprimento médio de 380 nm e densidade de 1,6 g cm-. O material exibiu condutividade ôhmica, com resistência mínima de ~22 kΩ.[21][22]​.

Nanotubos de paredes múltiplas

Os nanotubos de paredes múltiplas consistem em vários tubos concêntricos de grafeno. A distância entre as camadas em tubos de paredes múltiplas é aproximadamente a distância entre as camadas de grafeno na grafite, aproximadamente 3,4 Å. Os nanotubos de paredes múltiplas podem adotar duas estruturas diferentes, caracterizadas por modelos diferentes. O modelo de rolagem "rolo (manuscrito)" descreve uma única camada enrolada sobre si mesma. No modelo “matrioshka”, o mais comum, as camadas de grafeno estão dispostas em cilindros concêntricos; por exemplo, um nanotubo de parede única (0,8) dentro de um nanotubo maior (0,17). Os tubos componentes podem ser metálicos ou supercondutores. Devido a problemas de probabilidade estatística e restrições no diâmetro dos tubos concêntricos, toda a estrutura é um metal com bandgap igual a zero.[23]​.

Os nanotubos de carbono de parede dupla são especialmente interessantes, porque sua morfologia e propriedades são semelhantes às dos nanotubos de parede simples, mas são mais resistentes a ataques químicos;[24]​ esta propriedade é importante para adicionar grupos funcionais à superfície dos nanotubos para dar-lhes propriedades diferentes. Em tubos de parede simples, esse processo destrói ligações duplas, deixa “buracos” no nanotubo e provoca modificações indesejadas em suas propriedades elétricas e mecânicas. Nos nanotubos de parede dupla, apenas a camada externa é afetada. A síntese em larga escala (gramas) de nanotubos de parede dupla usando a técnica CCVD foi introduzida em 2003 a partir da redução seletiva de soluções de óxido em metano e hidrogênio.[25]​.

A capacidade de movimento telescópico das camadas internas de nanotubos de paredes múltiplas,[26]​ juntamente com suas propriedades mecânicas únicas,[27]​ poderia levar ao seu uso como braços móveis em dispositivos nanomecânicos. A força de retração que ocorre no movimento telescópico é causada pela interação Lennard-Jones entre as paredes do nanotubo, e seu valor é de aproximadamente 1,5 nN.[28]​.

Sindicatos e cruzamentos

Junções entre dois ou mais nanotubos têm sido objeto de discussões teóricas,[29][30]​ e são frequentemente observadas em amostras preparadas por descarga de arco, bem como por deposição química de vapor. Lambin et al. analisou as propriedades eletrônicas teóricas de tais junções e apontou que uma conexão entre um tubo metálico e um tubo semicondutor representaria uma heterojunção em nanoescala, que poderia fazer parte de um circuito eletrônico baseado em nanotubos.[31]​.

As junções entre nanotubos e grafeno foram estudadas tanto teoricamente[32]​ quanto experimentalmente,[33]​ e formam a base do grafeno pilarizado, no qual folhas paralelas de grafeno são separadas por nanotubos curtos.[34]​ O grafeno pilarizado representa uma classe de arquiteturas tridimensionais de nanotubos de carbono.

Recentemente, vários estudos destacaram a possibilidade de usar nanotubos de carbono como blocos de construção para dispositivos tridimensionais de carbono macroscópicos (maiores que 100 nm). Lalwani et al. publicou um novo método de reticulação térmica iniciado por radical para fabricar estruturas macroscópicas de carbono porosas usando nanotubos de carbono de paredes simples e múltiplas como blocos de construção.[35] Essas estruturas possuem poros de dimensões macro, micro e nanoscópicas, e a porosidade pode ser adaptada para aplicações específicas. Eles podem ser usados ​​como dispositivos para armazenamento de energia, supercapacitores, transistores de emissão de campo, catálise de alto desempenho, dispositivos fotovoltaicos e biomédicos, implantes e sensores.[36][37]​.

Outras morfologias

Nanobuds ou nanobuds de carbono são um material criado na década de 2000, que combina nanotubos de carbono e fulerenos. Eles são compostos de moléculas esféricas, semelhantes aos fulerenos, ligadas covalentemente às paredes laterais externas de um nanotubo de carbono, como botões ou “brotos” de um galho. Este material híbrido combina propriedades úteis de fulerenos e nanotubos de carbono. Eles são emissores de campo excepcionalmente bons.[38]​ Em materiais compósitos, moléculas de fulereno ligadas podem funcionar como âncoras moleculares que evitam o deslizamento dos nanotubos, melhorando assim as propriedades mecânicas do compósito.

As bainhas de carbono são outro material que combina fulerenos com nanotubos de carbono. Neste caso, o nanotubo encapsula as moléculas de fulereno em seu interior, como ervilhas em uma vagem.[39]​[40]​ Eles têm propriedades magnéticas interessantes sob certas condições de aquecimento e irradiação. Eles também podem ser usados ​​como osciladores em certas investigações.[41][42]​.

Um nanotorus é um nanotubo de carbono dobrado sobre si mesmo na forma de um toro "Torus (geometria)") (formato de 8). Os nanotori têm muitas propriedades únicas, como momentos magnéticos muito altos para raios específicos.[43]​ O momento magnético, a estabilidade térmica e outras propriedades variam muito dependendo do raio do toro e do raio do tubo.[43]​[44]​.

Os nanotubos de carbono também podem ser combinados com folhas de grafeno cultivadas ao longo das paredes laterais dos nanotubos de paredes múltiplas. A densidade da folha pode variar em função das condições de deposição - por exemplo, temperatura e tempo - de menos de uma dúzia de camadas de grafeno até uma estrutura mais espessa e mais semelhante à grafite.

Os nanotubos de carbono podem formar uma estrutura quase monodimensional semelhante em formato a uma pilha de copos (nanotubos empilhados em copos ou CSCNT); Ao contrário dos nanotubos regulares e outras nanoestruturas de carbono, que normalmente se comportam como condutores, os CSCNTs são semicondutores devido ao empilhamento de camadas de grafeno.[47]​.

Las propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y térmicas de los nanotubos de carbono de pared simple guardan más relación con la estructura del nanotubo —tipificada por los índices (,)—, que con otras propiedades geométricas: diferentes tipos de nanotubos, pueden tener propiedades radicalmente distintas. La estructura de bandas para un nanotubo de tipo (,) puede calcularse fácilmente.[48]​ En 1999, Hiromichi Kataura") introdujo un gráfico basado en estos cálculos para explicar resultados experimentales. Los gráficos de Kataura relacionan el diámetro del tubo con las bandas de energía y su forma oscilante ilustra la fuerte dependencia con (,).[49]​ Por ejemplo, los nanotubos de tipos (10,1) y (8,3) tienen un diámetro muy parecido, pero el primero se asemeja a un metal y el segundo es un semiconductor.

Propriedades mecânicas

Os nanotubos de carbono são as moléculas mais fortes e rígidas já descobertas em termos de resistência à tração e módulo de elasticidade. Essas propriedades mecânicas vêm da robustez das ligações covalentes sp formadas entre os átomos de carbono individuais. Em 2000, foi obtido um valor de 63 GPa para a tensão de ruptura de um nanotubo de carbono de paredes múltiplas;[2] isso significa que um fio com seção transversal de 1 mm poderia suportar um peso de 6.422 kg. Outros estudos, incluindo um realizado em 2008, revelaram que os nanotubos isolados têm uma resistência à tração de cerca de 100 GPa, consistente com as previsões dos modelos quânticos e atomísticos.[50] Dada a baixa densidade dos nanotubos de carbono - entre 1,3 e 1,4 g/cm -,[51] sua resistência específica de até 48.000 kN m kg é a mais alta dos materiais conhecidos; Para efeito de comparação, o valor equivalente para aço com alto teor de carbono é 154 kN·m·kg.

Embora a resistência de nanotubos individuais seja extremamente alta, as fracas interações entre tubos adjacentes levam a uma redução significativa na resistência efetiva de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e feixes de nanotubos, que podem atingir apenas alguns GPa. GPa para feixes de nanotubos de parede dupla.[52]​.

Por outro lado, os nanotubos não apresentam tanta resistência à compressão: devido à sua estrutura oca e à alta relação entre comprimento e largura, eles tendem a colapsar sob forças de compressão, torção ou flexão.[53]​ Eles também são bastante macios na direção radial e até mesmo forças de Van der Waals entre dois nanotubos adjacentes podem deformá-los. Vários grupos realizaram nanoindentações com um microscópio de força atômica e usaram microscopia de força atômica de contato para medir a elasticidade radial de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e simples, respectivamente; O módulo de Young obtido é da ordem de vários GPa.

Propriedades elétricas

Ao contrário do grafeno, que é um semimetal bidimensional, os nanotubos de carbono podem se comportar como metais ou semicondutores ao longo do eixo tubular, dependendo de sua estrutura. Um nanotubo do tipo (, ) é um metal se; se for um múltiplo de 3 e , o nanotubo é um quase metal, com um bandgap muito pequeno; caso contrário, o nanotubo é um semicondutor moderado.[54] Assim, todos os nanotubos de poltrona são metálicos, e (6,4), (9,1), etc. os nanotubos são metálicos. são semicondutores.[55] Os nanotubos de carbono não são semimetálicos porque o ponto degenerado (o ponto onde a banda π [ligação] encontra a banda π* [anti-ligação], no qual a energia vai para zero) se afasta ligeiramente do ponto K na zona de Brillouin devido à curvatura da superfície do tubo, o que causa hibridização entre as bandas σ* e anti-ligação. π* e a modificação da dispersão da banda.

Existem exceções à regra para determinar se um nanotubo se comporta como semicondutor ou metal; Especificamente, a curvatura dos nanotubos de pequeno diâmetro influencia as propriedades elétricas: por exemplo, um nanotubo do tipo (5.0), que deveria ser um semicondutor de acordo com a regra, é na verdade um metal. Da mesma forma, nanotubos quirais e em zigue-zague de pequeno diâmetro têm um bandgap e não se comportam como metais, embora esta exceção não se aplique a nanotubos de poltrona.

Em teoria, os nanotubos metálicos podem conduzir uma densidade de corrente de 4 × 10 A/cm, que excede a condutividade de metais como o cobre em três ordens de grandeza.[57] Há interesse na utilização de nanotubos de carbono nas interligações de circuitos integrados e componentes para melhorar a condutividade de materiais compósitos. Muitos grupos estão tentando comercializar fios condutores compostos de nanotubos, apesar dos desafios apresentados pela saturação de corrente sob tensão,[58]​ e pela alta resistividade das junções entre nanotubos e impurezas, o que reduz consideravelmente a condutividade dos fios em relação à dos nanotubos individuais em várias ordens de grandeza.

Devido à seção transversal da ordem dos nanômetros, os elétrons se propagam apenas ao longo do eixo dos nanotubos, por isso são chamados de “condutores unidimensionais”. A condutância elétrica máxima de um nanotubo de carbono de parede única é , onde é a unidade quântica de condutância.[59]​.

A importância do sistema de elétrons π nas propriedades eletrônicas do grafeno provoca diferentes efeitos na dopagem "Dopagem (semicondutores)") de nanotubos de carbono e semicondutores cristalinos do mesmo grupo da tabela periódica - como, por exemplo, o silício. A substituição de átomos de carbono na parede do nanotubo por dopantes de boro ou nitrogênio é geralmente realizada por deposição química de vapor e produz materiais do tipo p e do tipo n respectivamente, como ocorre no silício. No entanto, alguns dopantes não substitutivos (intercalados ou adsorvidos), como metais alcalinos e metalocenos ricos em elétrons, resultam em condução do tipo n, porque doam elétrons para o sistema de elétrons π do nanotubo. Em contraste, os aceitadores de elétrons π, como FeCl ou metalocenos deficientes em elétrons, funcionam como dopantes do tipo p porque removem os elétrons π do topo da banda de valência.

Os defeitos cristalográficos também afetam as propriedades elétricas do nanotubo: normalmente, a condutividade diminui na região defeituosa do tubo. Defeitos em um nanotubo de poltrona metálica transformam as regiões circundantes em semicondutores, e vagas monoatômicas individuais induzem propriedades magnéticas.[60]​.

De acordo com os resultados de alguns experimentos, os nanotubos de carbono exibem supercondutividade intrínseca,[61]​[62][63]​ embora em outros estudos nenhuma evidência dessa propriedade tenha sido encontrada, o que é, portanto, objeto de debate.[64]​.

Em 2021, Michael Strano, professor de engenharia química Carbon P. Dubbs no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, publicou as descobertas de seu grupo de pesquisa sobre o uso de nanotubos de carbono para criar uma corrente elétrica. indústria.[66]​.

Propriedades ópticas

Os nanotubos de carbono emitem radiação infravermelha sob excitação elétrica e exibem fotocondutividade. Essas propriedades ópticas permitem seu uso como diodos emissores de luz (LED)[67]​[68]​ e fotodetectores[69]​ A propriedade óptica única dos nanotubos de carbono não é a eficiência, que ainda é relativamente baixa, mas sim a estreita seletividade no comprimento de onda de emissão e detecção de luz e a possibilidade de seu ajuste fino modificando a estrutura dos nanotubos. Outras aplicações baseadas em características ópticas são dispositivos de memória bolométrica[70]​ e optoeletrônica.[71]​ A fluorescência de nanotubos foi investigada para uso em detectores e sensores no campo da biomedicina.[72][73][74]​.

Propriedades térmicas

Os nanotubos de carbono são muito bons condutores térmicos na direção do eixo, exibindo uma propriedade conhecida como “condução balística”; Ao mesmo tempo, são bons isolantes na direção radial. As medições mostram que a condutividade térmica de um nanotubo de parede única à temperatura ambiente é de aproximadamente 3500 W m K ao longo de seu eixo;[75] Em comparação, um metal considerado um bom condutor térmico, como o cobre, transmite 385 W m K. Na direção radial, a condutividade térmica do nanotubo é de cerca de 1,52 W·m·K,[76]​ semelhante à do solo.

Em montagens macroscópicas de nanotubos, como filmes ou fibras, foram medidos até 1500 W·m·K.[77]​ Redes compostas por nanotubos possuem diferentes valores de condutividade térmica, desde o nível de isolamento térmico com condutividade térmica de 0,1 W·m·K até valores elevados.[78]​ O valor específico depende da presença de impurezas, desalinhamentos e outros fatores. Estima-se que os nanotubos de carbono sejam estáveis ​​até uma temperatura de 2.800 °C no vácuo e cerca de 750 °C no ar.[79] Em contraste, os fios metálicos de um microchip derretem em temperaturas entre 600 e 1000 °C.

Os defeitos cristalográficos influenciam fortemente as propriedades térmicas do tubo. Tais defeitos levam ao espalhamento de fônons, que por sua vez aumenta a taxa de relaxamento do fônon e reduz o caminho livre médio e a condutividade térmica das estruturas de nanotubos. Simulações de transporte de fônons indicam que defeitos de substituição, como nitrogênio ou boro, levam principalmente ao espalhamento de fônons ópticos de alta frequência. No entanto, defeitos de maior escala, como os defeitos de Stone-Wales, causam espalhamento de fônons em uma ampla faixa de frequências e causam uma redução adicional na condutividade térmica.[80] As propriedades térmicas dos nanotubos também podem ser modificadas encapsulando metais ou gases em seu interior.

Existem diversas técnicas para produzir nanotubos em quantidades consideráveis, como descarga de arco, ablação a laser, deposição química de vapor e decomposição de monóxido de carbono em alta pressão (HiPCO). A descarga de arco e a ablação a laser são processos em lote, a deposição química de vapor pode ser usada tanto para processos em lote quanto para processos contínuos,[81]​[82]​ e HiPCO é um processo contínuo em fase gasosa.[83]​ A maioria desses processos ocorre no vácuo ou, em métodos que utilizam um gás, na presença dele.

A ablação a laser consiste na vaporização de um alvo de grafite através da irradiação de um pulso de laser em um reator de alta temperatura e na presença de um gás inerte. Os nanotubos se formam quando o grafite vaporizado entra em contato com a superfície fria e se condensa nas paredes do reator. Esse processo costuma ter rendimento típico de 70% em peso e produz nanotubos monocamada com diâmetro que pode ser controlado variando a temperatura dentro do reator.

A descarga de arco foi a primeira técnica com a qual foi possível produzir nanotubos de carbono em quantidades apreciáveis. O método consiste em passar uma corrente elétrica de centenas de amperes entre dois eletrodos de grafite em uma atmosfera de gás inerte a baixa pressão. A descarga subsequente sublima o carbono nos eletrodos e são gerados fulerenos e nanotubos de carbono. O rendimento típico, utilizando esta técnica, é da ordem de 30% em peso e os produtos obtidos são nanotubos monocamadas e multicamadas com um comprimento típico de cerca de 50 mícrones "Micrômetro (comprimento unitário)"). Pode ser combinado com o método de purificação por oxidação desenvolvido por Ebbesen em 1994,[84]​ que consiste em aquecer a fulerita extraída após descarga a 1000 K, em atmosfera de oxigênio por 30 minutos.

A deposição química de vapor é amplamente utilizada, pois apresenta desempenho muito elevado e proporciona certo grau de controle sobre o diâmetro, comprimento e morfologia dos nonatubos. Com a ajuda de catalisadores de partículas, grandes quantidades de nanotubos podem ser sintetizadas usando esta técnica, e já existem várias fábricas de nanotubos e fibras de nanotubos no mundo. Um problema associado a este método é a alta variabilidade nas características dos nanotubos.[85]​.

O processo HiPCO tem potencial para produzir nanotubos de carbono mais comercialmente viáveis. [86]​ Com este método, nanotubos de carbono de parede simples de alta pureza são obtidos em maiores quantidades. O reator HiPCO opera a temperaturas de 900-1100 °C e uma pressão de 30-50 bar. Ele usa monóxido de carbono como fonte de carbono e pentacarbonil de ferro ou tetracarbonil de níquel como catalisador. Esses catalisadores fornecem um local de nucleação para o crescimento dos nanotubos,[83]​ enquanto a deposição química de vapor pode usar catalisadores mais baratos à base de ferro, como o ferroceno.

A deposição de vapor térmico também é usada para obter arranjos de nanotubos de carbono alinhados verticalmente. Neste processo, um substrato (quartzo, silício, aço inoxidável, fibras de carbono, etc.) é revestido por uma camada de metal catalítico, geralmente ferro, depositada por sputtering com espessura de 1 a 5 nm. Freqüentemente, o substrato é primeiro preparado com uma camada de alumina de 10–50 nm, que confere umedecimento controlável e boas propriedades interfaciais. Para iniciar o crescimento dos nanotubos, dois gases são misturados no reator. Um gás de processo – como amônia, nitrogênio, hidrogênio, etc. – e outro gás usado como fonte de carbono – como acetileno, etileno, etanol, metano, etc. – Quando o substrato é aquecido até a temperatura de crescimento (600-850°C), o filme contínuo de ferro se divide em pequenas ilhas onde se formam nanotubos de carbono. O diâmetro do tubo depende do tamanho da ilha, que por sua vez é determinado pela espessura da camada de catalisador. O tempo que a ilha metálica pode permanecer na temperatura de crescimento é limitado, pois elas são móveis e podem se fundir em um número menor de ilhas maiores. O recozimento na temperatura de crescimento reduz a densidade do nanotubo.

Se um plasma "Plasma (estado da matéria)") for gerado pela aplicação de um campo elétrico intenso, durante o processo de crescimento (conhecido como deposição química de vapor aprimorada por plasma), então o crescimento do nanotubo seguirá a direção do campo elétrico.

Os nanotubos de carbono preparados geralmente contêm impurezas, como outros alótropos de carbono (carbono amorfo, fulereno, etc.) ou o metal usado como catalisador.[88]​[89]​ Essas impurezas devem ser removidas para poder usar os nanotubos em diversas aplicações.[90]​.

Sabe-se que os nanotubos de carbono se dispersam fracamente em muitos solventes, como a água, como consequência de fortes interações intermoleculares pp. Isso dificulta o processamento em aplicações industriais. Para melhorar a sua estabilidade e solubilidade em água, foram desenvolvidas diversas técnicas que consistem na modificação da superfície dos nanotubos.[4] Métodos químicos, como a funcionalização covalente, podem ser baseados na oxidação de nanotubos com ácidos fortes, como ácido sulfúrico, ácido nítrico ou uma mistura de ambos para fixar os grupos carboxílicos na superfície dos nanotubos como produto final ou para posterior modificação por esterificação ou aminação.

O enxerto de radicais livres de macromoléculas na superfície dos nanotubos resulta em melhor solubilidade em comparação com tratamentos ácidos comuns, porque as grandes moléculas funcionais facilitam a dispersão dos nanotubos em uma variedade de solventes, mesmo com baixo grau de funcionalização. Em 2017, foi observada a funcionalização covalente de nanotubos de carbono de paredes múltiplas usando pregos. Os nanotubos são funcionalizados em um recipiente por uma reação de enxerto de radical livre e são então dispersos em água produzindo uma suspensão aquosa nanfluídica altamente estável.[93]​.

Existem muitos padrões de metrologia e materiais de referência disponíveis para nanotubos de carbono.[94]​.

Para nanotubos de carbono de parede única, a ISO estabeleceu um método baseado em espectroscopia de absorção óptica para medir o diâmetro, pureza e fração de nanotubos metálicos,[95]​ bem como protocolos para caracterizar a morfologia e composição elementar que utilizam microscopia eletrônica de transmissão e microscopia eletrônica de varredura respectivamente, juntamente com análise de espectrometria de raios X.[96][97]​.

É o padrão NIST SRM 2483 é um pó de nanotubo de carbono de parede única usado como material de referência para análise elementar. Foi caracterizado por análise termogravimétrica, análise de ativação de nêutrons, análise de ativação de nêutrons, espectroscopia de massa com plasma indutivamente acoplado, espalhamento Raman ressonante, espectroscopia de fluorescência no infravermelho próximo visível e espectroscopia de absorção, microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão. O Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá também oferece um material de referência certificado SWCNT-1 para caracterização por análise de ativação de nêutrons e espectroscopia de massa com plasma indutivamente acoplado.[94]​[100]​ NIST RM 8281 é uma mistura de nanotubos de carbono de parede única de três comprimentos diferentes.[98]​ [101]​.

Para nanotubos de carbono de paredes múltiplas, a ISO/TR 10929 identifica as propriedades básicas e o conteúdo de impurezas, enquanto a ISO/TS 11888 descreve a caracterização morfológica usando microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, viscometria e espalhamento de luz "Dispersão (física)").[103] A ISO/TS 10798 também é válida para nanotubos de carbono de paredes múltiplas.

Os nanotubos de carbono são usados ​​na indústria e em bens de consumo. Eles consistem em componentes de bateria pretos altamente absorventes, polímeros e tinta. Existem outras aplicações em desenvolvimento, como transistores de efeito de campo para componentes eletrônicos, tecidos de alta resistência, biossensores para usos biomédicos e agrícolas, entre outros.

Alguns exemplos do uso de nanotubos de carbono estão listados abaixo:

Dentre as aplicações em desenvolvimento podem ser destacadas:

Estudos científicos indicam que as nanopartículas representam um risco maior para a saúde do que outras formas de materiais devido à maior área superficial por unidade de massa. O aumento do comprimento e do diâmetro dos nanotubos se correlaciona com o aumento da toxicidade [123]​ e alterações patológicas no pulmão.[124]​ As interações biológicas dos nanotubos não são bem compreendidas e o campo está aberto para estudos toxicológicos continuados. Muitas vezes é difícil determinar os factores causais para um determinado efeito, e uma vez que o carbono é relativamente inerte biologicamente, a toxicidade atribuída aos nanotubos de carbono pode ser devida em parte à contaminação residual do catalisador metálico. Por exemplo, o nanotubo de paredes múltiplas conhecido como Mitsui-7 demonstrou ser cancerígeno, mas a razão não é clara. Por outro lado, embora os nanotubos de carbono causem inflamação pulmonar e toxicidade em camundongos, a exposição a aerossóis gerados pelo lixamento de compósitos de nanotubos de paredes múltiplas revestidos com polímero, representativos do produto encontrado em materiais comumente usados, não resulta em tal toxicidade.

Agências como o Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional dos EUA (NIOSH) ou a Agência Sueca de Meio Ambiente Ocupacional (Arbetsmiljöverket) publicaram boletins detalhando os perigos potenciais e o limite de exposição recomendado para fibras de carbono e nanotubos.[127]​[128]​ O NIOSH determinou limites de exposição recomendados não regulamentares (RELs) de 1 μg/m para nanotubos. de carbono e nanofibras de carbono como massa respirável em média 8 horas. [129]​ Em outubro de 2016, nanotubos de carbono de parede única foram registrados sob os regulamentos de Registro, Avaliação, Autorização e Restrição de Produtos Químicos (REACH) da União Europeia.[130]​.

Em 2006, Marc Monthioux e Vladimir Kuznetsov publicaram em um editorial na revista Carbon a história da descoberta dos nanotubos de carbono. impacto e promoveu pesquisas sobre as aplicações de nanotubos de carbono. No entanto, as primeiras observações de nanotubos de carbono datam de muito antes: em 1952, Radushkevich e Lukyanovich publicaram imagens nítidas de tubos de carbono com 50 nanômetros de diâmetro no Journal of Physical Chemistry Of Russia.[7] Este artigo passou em grande parte despercebido, devido à sua publicação em russo e ao acesso limitado dos cientistas ocidentais à imprensa soviética durante a Guerra Fria. Monthioux e Kuznetsov mencionaram em seu editorial:

Em 1976, Morinobu Endo do CNRS sintetizou tubos ocos de folhas laminadas de grafite usando uma técnica de crescimento em fase de vapor. Os primeiros espécimes observados seriam mais tarde conhecidos como nanotubos de carbono de parede única ou SWNTs. Endo, em seu estudo inicial sobre fibras de carbono, também observou um tubo oco, estendido linearmente, com faces paralelas de camadas de carbono próximas ao núcleo da fibra.[8] Esta parece ser a primeira observação de nanotubos de carbono de paredes múltiplas ou MWCNTs. Hoje, os nanotubos de carbono de paredes múltiplas produzidos em massa são obtidos por um método semelhante ao desenvolvido por Endo, na verdade chamado de "processo Endo", em reconhecimento aos seus primeiros trabalhos e patentes. Em 1979, John Abrahamson apresentou um artigo na 14ª Conferência Bienal de Carbono da Universidade Estadual da Pensilvânia que descreveu nanotubos de carbono como fibras de carbono produzidas em ânodos de carbono durante uma descarga de arco. Abrahamson caracterizou essas fibras e propôs uma hipótese para seu crescimento em uma atmosfera de nitrogênio a baixas pressões.[10]​.

Em 1981, um grupo de cientistas soviéticos publicou os resultados da caracterização química e estrutural de nanopartículas de carbono produzidas por uma desproporção termocatalítica de monóxido de carbono. Usando imagens TEM e entre elas, uma conformação circular (nanotubo poltrona) e um arranjo helicoidal espiral (tubo quiral).[11]​.

Em 1987, Howard G. Tennent da Hyperion Catalysis recebeu uma patente nos EUA para a produção de “fibrilas de carbono discretas cilíndricas” com um diâmetro fixo entre aproximadamente 3,5 e 70 nm, um comprimento duas ordens de grandeza maior que o diâmetro e uma região externa composta de múltiplas camadas essencialmente contínuas de átomos de carbono ordenados e um núcleo interno distinto.

A descoberta de Iijima em 1991 de nanotubos de carbono de paredes múltiplas no material insolúvel resultante da queima de barras de grafite com um arco elétrico gerou intenso interesse entre a comunidade científica, assim como a previsão independente de Mintmire, Dunlap e White de que se nanotubos de carbono de parede única pudessem ser feitos, eles exibiriam propriedades condutoras notáveis. A pesquisa de nanotubos foi bastante acelerada após as descobertas de Iijima e Ichihashi na NEC e Bethune et al. na IBM de métodos para produzir nanotubos de carbono de parede única adicionando catalisadores de metais de transição ao carbono em uma descarga de arco. Tess e colaboradores refinaram este método catalítico vaporizando a combinação carbono/metal de transição em um forno de alta temperatura, melhorando significativamente o rendimento e a pureza dos nanotubos e subsequentes experimentos de caracterização e aplicação. A técnica de descarga de arco, conhecida por produzir moléculas de buckminsterfulereno em quantidades suficientes para explorar suas propriedades,[12] desempenhou, portanto, um papel importante nas descobertas de nanotubos de parede única e de parede múltipla e estendeu a série de descobertas fortuitas relacionadas aos fulerenos.

Em 2020, a escavação arqueológica Keezhadi em Tamil Nadu, na Índia, revelou cerâmicas com cerca de 2.500 anos cujos revestimentos parecem conter nanotubos de carbono. As fortes propriedades mecânicas dos nanotubos poderiam ter contribuído para a preservação dos revestimentos por tantos anos.[13]​.

A estrutura de um nanotubo de carbono de parede única ideal (infinitamente longo) é a de uma rede hexagonal regular disposta sobre uma superfície cilíndrica infinita, cujos vértices são as posições dos átomos de carbono. Como o comprimento das ligações carbono-carbono é mais ou menos fixo, o diâmetro do cilindro e as posições dos átomos nele não são arbitrários, mas estão restritos a certos valores.[14]​.

Para caracterizar a estrutura dos nanotubos, um traço em zigue-zague em uma rede hexagonal semelhante ao grafeno é definido como um caminho "Caminho (teoria dos grafos)") que gira 60°, alternando para a esquerda e para a direita, após atravessar cada ligação. Por convenção, uma caminhada que descreve duas voltas à esquerda seguidas de duas voltas à direita a cada quatro passos é chamada de "caminhada na poltrona". Em alguns nanotubos de carbono, um caminho em ziguezague fechado pode ser traçado ao redor do tubo, e o tubo é classificado como um tipo ou configuração em ziguezague, ou simplesmente como um "nanotubo em ziguezague". Se, por outro lado, o traço ao redor do tubo for um caminho fechado de poltrona, diz-se que é do tipo poltrona ou "nanotubo de poltrona". Os nanotubos infinitos em zigue-zague ou poltrona consistem inteiramente em caminhos fechados em zigue-zague ou poltrona, conectados entre si.

As configurações em ziguezague e poltrona não são as únicas conformações que um nanotubo de parede única pode adotar; A estrutura de um tubo infinitamente longo pode ser representada como seções imaginárias formadas por um corte paralelo ao seu eixo que passa por um átomo A; As seções são sobrepostas à estrutura formada por uma folha plana de grafeno para que os átomos e as ligações coincidam. As duas metades do átomo A estão localizadas em bordas opostas da tira, acima dos átomos A1 e A2 do grafeno. A linha de A1 a A2 corresponde à circunferência do cilindro por onde passa o átomo A e é perpendicular às bordas do corte. Na rede do grafeno, os átomos podem ser divididos em duas classes, dependendo das direções de suas três ligações. Em metade dos átomos, suas três ligações estão orientadas da mesma maneira, enquanto na outra metade as ligações são giradas 180°. Os átomos A1 e A2, que correspondem ao mesmo átomo A no cilindro, devem ser da mesma classe. Segue-se que a circunferência do tubo e o ângulo da seção dependem dos comprimentos e direções das linhas que conectam pares de átomos de grafeno da mesma classe.

Sejam y dois vetores linearmente independentes conectando o átomo de grafeno A1 aos seus dois átomos mais próximos com as mesmas direções de ligação. Ou seja, se os carbonos dispostos consecutivamente em torno de uma célula de grafeno são denominados C1 - C6, então é o vetor entre C1 e C3 e o vetor entre C1 e C5. Então, para qualquer outro átomo A2 com a mesma classe que A1, o vetor de A1 a A2 pode ser escrito como uma combinação linear, onde e são inteiros. E, inversamente, cada par de inteiros (,) define uma posição possível de A2.[14]​.

Dado e, você pode reverter a operação teórica e desenhar o vetor na rede de grafeno, cortar uma tira ao longo das linhas perpendiculares às suas extremidades A1 e A2 e enrolar a tira em um cilindro que une os dois pontos. Se esta construção for aplicada a um par (k ,0), o resultado é um nanotubo em zigue-zague, com caminhos em zigue-zague fechados de 2 k átomos. Se aplicado a um par ( k, k ), obtemos um tubo poltrona, com caminhos poltrona fechados de 4 k átomos.

Contenido

La estructura del nanotubo no cambia si la tira se gira 60° en el sentido de las agujas del reloj alrededor de A1 antes de aplicar la reconstrucción hipotética descrita anteriormente. Tal rotación cambia el par (,) al par (,). De ello se deduce que muchas de las posibles posiciones de A2 con respecto a A1, es decir, muchos pares (,), corresponden a la misma disposición de átomos en el nanotubo. Ese es el caso, por ejemplo, de los seis pares (1,2), (-2,3), (-3,1), (-1,-2), (2,-3) y (3 ,-1). En particular, los pares ( k ,0) y (0, k ) describen la misma geometría del nanotubo. Esta redundancia se puede evitar considerando sólo pares (,) tales que 0 y 0; es decir, donde la dirección del vector se encuentre entre las de (inclusive) y (exclusive). Se puede verificar que todo nanotubo tiene exactamente un par (,) que cumple esas condiciones, al que se denomina «tipo de tubo».

Dos nanotubos pertenecen al mismo tipo si, y solo si, coincididen exactamente con el otro trans una rotación y traslación. En lugar del tipo (,), la estructura de un nanotubo de carbono se puede especificar con la longitud del vector (es decir, la circunferencia del nanotubo) y el ángulo entre las direcciones y , comprendido entre 0 (inclusive) y 60° (exclusive) en el sentido de las agujas del reloj. Si el diagrama se dibuja con horizontal, define la inclinación de la tira con respecto de la vertical.

Quiralidade e simetria de espelho

Um nanotubo é quiral se for do tipo (,) com e; Seu enantiômero (imagem espelhada) é do tipo (,). Os únicos tipos de nanotubos aquirais são os tubos de configuração em zigue-zague (k,0) e os tubos de configuração de poltrona (k,k). Como os enantiômeros possuem a mesma estrutura, apenas os tipos (,) com e podem ser considerados. O ângulo entre e , que pode assumir valores entre 0 e 30°, é chamado de “ângulo quiral” do nanotubo.

Circunferência e diâmetro

A partir de y você pode calcular a circunferência, que é o comprimento do vetor:.

O diâmetro do tubo é:.

Estas fórmulas são apenas aproximações, especialmente para y pequeno onde as ligações são tensas; Também não levam em consideração a espessura da parede.

O ângulo entre y e a circunferência está relacionado aos índices e por:.

onde é o ângulo no sentido horário entre a horizontal e o vetor de coordenadas. Por sua vez, dados e , o tipo pode ser obtido por meio das fórmulas:.

que deve resultar em números inteiros.

Diâmetro

Se os índices tiverem valores extremamente baixos, a estrutura da molécula não é tubular e em muitos casos nem sequer é estável. Por exemplo, a estrutura definida pelo par (1,0), do tipo zigue-zague, é simplesmente uma cadeia de carbonos; Na verdade, essa molécula existe: é chamada de carbino e compartilha algumas propriedades com os nanotubos – como hibridização orbital e alta resistência à tração, entre outras – mas não possui um espaço oco em seu interior e pode não ser capaz de ser sintetizada como uma fase condensada. O par (2,0) teoricamente produziria uma cadeia de quatro anéis fundidos; e (1,1), o tipo poltrona consistiria em uma corrente de quatro anéis biconectados. Essas estruturas não foram observadas experimentalmente.

O nanotubo de carbono mais fino observado é a estrutura poltrona do tipo (2,2), que possui diâmetro de 0,3 nm. Este nanotubo foi cultivado dentro de um nanotubo de carbono com paredes múltiplas. A atribuição do tipo de nanotubo foi realizada usando uma combinação de métodos de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), espectroscopia Raman e teoria do funcional de densidade (DFT).

O nanotubo de carbono de parede única mais fino isolado como uma molécula independente tem aproximadamente 0,43 nm de diâmetro. Foi sugerido que pode ser do tipo (5,1) ou (4,2).

Comprimento

Os nanotubos de carbono mais longos observados em 2013 tinham cerca de 0,5 m de comprimento. Esses nanotubos foram cultivados em substratos de silício usando um método aprimorado de deposição química de vapor (CVD) e formam matrizes eletricamente uniformes de nanotubos de carbono de parede única.

O nanotubo de carbono mais curto é considerado o composto orgânico cicloparafenileno, sintetizado em 2008 por Ramesh Jasti.[19] Desde então, outras pequenas moléculas compostas de nanotubos de carbono foram sintetizadas.[20]​.

Densidade

Os nanotubos de maior densidade foram obtidos em 2013, por cultivo em superfície de cobre revestida de titânio revestida com os cocatalisadores cobalto e molibdênio em temperaturas inferiores aos típicos 450 ° C, esses tubos atingiram comprimento médio de 380 nm e densidade de 1,6 g cm-. O material exibiu condutividade ôhmica, com resistência mínima de ~22 kΩ.[21][22]​.

Nanotubos de paredes múltiplas

Os nanotubos de paredes múltiplas consistem em vários tubos concêntricos de grafeno. A distância entre as camadas em tubos de paredes múltiplas é aproximadamente a distância entre as camadas de grafeno na grafite, aproximadamente 3,4 Å. Os nanotubos de paredes múltiplas podem adotar duas estruturas diferentes, caracterizadas por modelos diferentes. O modelo de rolagem "rolo (manuscrito)" descreve uma única camada enrolada sobre si mesma. No modelo “matrioshka”, o mais comum, as camadas de grafeno estão dispostas em cilindros concêntricos; por exemplo, um nanotubo de parede única (0,8) dentro de um nanotubo maior (0,17). Os tubos componentes podem ser metálicos ou supercondutores. Devido a problemas de probabilidade estatística e restrições no diâmetro dos tubos concêntricos, toda a estrutura é um metal com bandgap igual a zero.[23]​.

Os nanotubos de carbono de parede dupla são especialmente interessantes, porque sua morfologia e propriedades são semelhantes às dos nanotubos de parede simples, mas são mais resistentes a ataques químicos;[24]​ esta propriedade é importante para adicionar grupos funcionais à superfície dos nanotubos para dar-lhes propriedades diferentes. Em tubos de parede simples, esse processo destrói ligações duplas, deixa “buracos” no nanotubo e provoca modificações indesejadas em suas propriedades elétricas e mecânicas. Nos nanotubos de parede dupla, apenas a camada externa é afetada. A síntese em larga escala (gramas) de nanotubos de parede dupla usando a técnica CCVD foi introduzida em 2003 a partir da redução seletiva de soluções de óxido em metano e hidrogênio.[25]​.

A capacidade de movimento telescópico das camadas internas de nanotubos de paredes múltiplas,[26]​ juntamente com suas propriedades mecânicas únicas,[27]​ poderia levar ao seu uso como braços móveis em dispositivos nanomecânicos. A força de retração que ocorre no movimento telescópico é causada pela interação Lennard-Jones entre as paredes do nanotubo, e seu valor é de aproximadamente 1,5 nN.[28]​.

Sindicatos e cruzamentos

Junções entre dois ou mais nanotubos têm sido objeto de discussões teóricas,[29][30]​ e são frequentemente observadas em amostras preparadas por descarga de arco, bem como por deposição química de vapor. Lambin et al. analisou as propriedades eletrônicas teóricas de tais junções e apontou que uma conexão entre um tubo metálico e um tubo semicondutor representaria uma heterojunção em nanoescala, que poderia fazer parte de um circuito eletrônico baseado em nanotubos.[31]​.

As junções entre nanotubos e grafeno foram estudadas tanto teoricamente[32]​ quanto experimentalmente,[33]​ e formam a base do grafeno pilarizado, no qual folhas paralelas de grafeno são separadas por nanotubos curtos.[34]​ O grafeno pilarizado representa uma classe de arquiteturas tridimensionais de nanotubos de carbono.

Recentemente, vários estudos destacaram a possibilidade de usar nanotubos de carbono como blocos de construção para dispositivos tridimensionais de carbono macroscópicos (maiores que 100 nm). Lalwani et al. publicou um novo método de reticulação térmica iniciado por radical para fabricar estruturas macroscópicas de carbono porosas usando nanotubos de carbono de paredes simples e múltiplas como blocos de construção.[35] Essas estruturas possuem poros de dimensões macro, micro e nanoscópicas, e a porosidade pode ser adaptada para aplicações específicas. Eles podem ser usados ​​como dispositivos para armazenamento de energia, supercapacitores, transistores de emissão de campo, catálise de alto desempenho, dispositivos fotovoltaicos e biomédicos, implantes e sensores.[36][37]​.

Outras morfologias

Nanobuds ou nanobuds de carbono são um material criado na década de 2000, que combina nanotubos de carbono e fulerenos. Eles são compostos de moléculas esféricas, semelhantes aos fulerenos, ligadas covalentemente às paredes laterais externas de um nanotubo de carbono, como botões ou “brotos” de um galho. Este material híbrido combina propriedades úteis de fulerenos e nanotubos de carbono. Eles são emissores de campo excepcionalmente bons.[38]​ Em materiais compósitos, moléculas de fulereno ligadas podem funcionar como âncoras moleculares que evitam o deslizamento dos nanotubos, melhorando assim as propriedades mecânicas do compósito.

As bainhas de carbono são outro material que combina fulerenos com nanotubos de carbono. Neste caso, o nanotubo encapsula as moléculas de fulereno em seu interior, como ervilhas em uma vagem.[39]​[40]​ Eles têm propriedades magnéticas interessantes sob certas condições de aquecimento e irradiação. Eles também podem ser usados ​​como osciladores em certas investigações.[41][42]​.

Um nanotorus é um nanotubo de carbono dobrado sobre si mesmo na forma de um toro "Torus (geometria)") (formato de 8). Os nanotori têm muitas propriedades únicas, como momentos magnéticos muito altos para raios específicos.[43]​ O momento magnético, a estabilidade térmica e outras propriedades variam muito dependendo do raio do toro e do raio do tubo.[43]​[44]​.

Os nanotubos de carbono também podem ser combinados com folhas de grafeno cultivadas ao longo das paredes laterais dos nanotubos de paredes múltiplas. A densidade da folha pode variar em função das condições de deposição - por exemplo, temperatura e tempo - de menos de uma dúzia de camadas de grafeno até uma estrutura mais espessa e mais semelhante à grafite.

Os nanotubos de carbono podem formar uma estrutura quase monodimensional semelhante em formato a uma pilha de copos (nanotubos empilhados em copos ou CSCNT); Ao contrário dos nanotubos regulares e outras nanoestruturas de carbono, que normalmente se comportam como condutores, os CSCNTs são semicondutores devido ao empilhamento de camadas de grafeno.[47]​.

Las propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y térmicas de los nanotubos de carbono de pared simple guardan más relación con la estructura del nanotubo —tipificada por los índices (,)—, que con otras propiedades geométricas: diferentes tipos de nanotubos, pueden tener propiedades radicalmente distintas. La estructura de bandas para un nanotubo de tipo (,) puede calcularse fácilmente.[48]​ En 1999, Hiromichi Kataura") introdujo un gráfico basado en estos cálculos para explicar resultados experimentales. Los gráficos de Kataura relacionan el diámetro del tubo con las bandas de energía y su forma oscilante ilustra la fuerte dependencia con (,).[49]​ Por ejemplo, los nanotubos de tipos (10,1) y (8,3) tienen un diámetro muy parecido, pero el primero se asemeja a un metal y el segundo es un semiconductor.

Propriedades mecânicas

Os nanotubos de carbono são as moléculas mais fortes e rígidas já descobertas em termos de resistência à tração e módulo de elasticidade. Essas propriedades mecânicas vêm da robustez das ligações covalentes sp formadas entre os átomos de carbono individuais. Em 2000, foi obtido um valor de 63 GPa para a tensão de ruptura de um nanotubo de carbono de paredes múltiplas;[2] isso significa que um fio com seção transversal de 1 mm poderia suportar um peso de 6.422 kg. Outros estudos, incluindo um realizado em 2008, revelaram que os nanotubos isolados têm uma resistência à tração de cerca de 100 GPa, consistente com as previsões dos modelos quânticos e atomísticos.[50] Dada a baixa densidade dos nanotubos de carbono - entre 1,3 e 1,4 g/cm -,[51] sua resistência específica de até 48.000 kN m kg é a mais alta dos materiais conhecidos; Para efeito de comparação, o valor equivalente para aço com alto teor de carbono é 154 kN·m·kg.

Embora a resistência de nanotubos individuais seja extremamente alta, as fracas interações entre tubos adjacentes levam a uma redução significativa na resistência efetiva de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e feixes de nanotubos, que podem atingir apenas alguns GPa. GPa para feixes de nanotubos de parede dupla.[52]​.

Por outro lado, os nanotubos não apresentam tanta resistência à compressão: devido à sua estrutura oca e à alta relação entre comprimento e largura, eles tendem a colapsar sob forças de compressão, torção ou flexão.[53]​ Eles também são bastante macios na direção radial e até mesmo forças de Van der Waals entre dois nanotubos adjacentes podem deformá-los. Vários grupos realizaram nanoindentações com um microscópio de força atômica e usaram microscopia de força atômica de contato para medir a elasticidade radial de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e simples, respectivamente; O módulo de Young obtido é da ordem de vários GPa.

Propriedades elétricas

Ao contrário do grafeno, que é um semimetal bidimensional, os nanotubos de carbono podem se comportar como metais ou semicondutores ao longo do eixo tubular, dependendo de sua estrutura. Um nanotubo do tipo (, ) é um metal se; se for um múltiplo de 3 e , o nanotubo é um quase metal, com um bandgap muito pequeno; caso contrário, o nanotubo é um semicondutor moderado.[54] Assim, todos os nanotubos de poltrona são metálicos, e (6,4), (9,1), etc. os nanotubos são metálicos. são semicondutores.[55] Os nanotubos de carbono não são semimetálicos porque o ponto degenerado (o ponto onde a banda π [ligação] encontra a banda π* [anti-ligação], no qual a energia vai para zero) se afasta ligeiramente do ponto K na zona de Brillouin devido à curvatura da superfície do tubo, o que causa hibridização entre as bandas σ* e anti-ligação. π* e a modificação da dispersão da banda.

Existem exceções à regra para determinar se um nanotubo se comporta como semicondutor ou metal; Especificamente, a curvatura dos nanotubos de pequeno diâmetro influencia as propriedades elétricas: por exemplo, um nanotubo do tipo (5.0), que deveria ser um semicondutor de acordo com a regra, é na verdade um metal. Da mesma forma, nanotubos quirais e em zigue-zague de pequeno diâmetro têm um bandgap e não se comportam como metais, embora esta exceção não se aplique a nanotubos de poltrona.

Em teoria, os nanotubos metálicos podem conduzir uma densidade de corrente de 4 × 10 A/cm, que excede a condutividade de metais como o cobre em três ordens de grandeza.[57] Há interesse na utilização de nanotubos de carbono nas interligações de circuitos integrados e componentes para melhorar a condutividade de materiais compósitos. Muitos grupos estão tentando comercializar fios condutores compostos de nanotubos, apesar dos desafios apresentados pela saturação de corrente sob tensão,[58]​ e pela alta resistividade das junções entre nanotubos e impurezas, o que reduz consideravelmente a condutividade dos fios em relação à dos nanotubos individuais em várias ordens de grandeza.

Devido à seção transversal da ordem dos nanômetros, os elétrons se propagam apenas ao longo do eixo dos nanotubos, por isso são chamados de “condutores unidimensionais”. A condutância elétrica máxima de um nanotubo de carbono de parede única é , onde é a unidade quântica de condutância.[59]​.

A importância do sistema de elétrons π nas propriedades eletrônicas do grafeno provoca diferentes efeitos na dopagem "Dopagem (semicondutores)") de nanotubos de carbono e semicondutores cristalinos do mesmo grupo da tabela periódica - como, por exemplo, o silício. A substituição de átomos de carbono na parede do nanotubo por dopantes de boro ou nitrogênio é geralmente realizada por deposição química de vapor e produz materiais do tipo p e do tipo n respectivamente, como ocorre no silício. No entanto, alguns dopantes não substitutivos (intercalados ou adsorvidos), como metais alcalinos e metalocenos ricos em elétrons, resultam em condução do tipo n, porque doam elétrons para o sistema de elétrons π do nanotubo. Em contraste, os aceitadores de elétrons π, como FeCl ou metalocenos deficientes em elétrons, funcionam como dopantes do tipo p porque removem os elétrons π do topo da banda de valência.

Os defeitos cristalográficos também afetam as propriedades elétricas do nanotubo: normalmente, a condutividade diminui na região defeituosa do tubo. Defeitos em um nanotubo de poltrona metálica transformam as regiões circundantes em semicondutores, e vagas monoatômicas individuais induzem propriedades magnéticas.[60]​.

De acordo com os resultados de alguns experimentos, os nanotubos de carbono exibem supercondutividade intrínseca,[61]​[62][63]​ embora em outros estudos nenhuma evidência dessa propriedade tenha sido encontrada, o que é, portanto, objeto de debate.[64]​.

Em 2021, Michael Strano, professor de engenharia química Carbon P. Dubbs no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, publicou as descobertas de seu grupo de pesquisa sobre o uso de nanotubos de carbono para criar uma corrente elétrica. indústria.[66]​.

Propriedades ópticas

Os nanotubos de carbono emitem radiação infravermelha sob excitação elétrica e exibem fotocondutividade. Essas propriedades ópticas permitem seu uso como diodos emissores de luz (LED)[67]​[68]​ e fotodetectores[69]​ A propriedade óptica única dos nanotubos de carbono não é a eficiência, que ainda é relativamente baixa, mas sim a estreita seletividade no comprimento de onda de emissão e detecção de luz e a possibilidade de seu ajuste fino modificando a estrutura dos nanotubos. Outras aplicações baseadas em características ópticas são dispositivos de memória bolométrica[70]​ e optoeletrônica.[71]​ A fluorescência de nanotubos foi investigada para uso em detectores e sensores no campo da biomedicina.[72][73][74]​.

Propriedades térmicas

Os nanotubos de carbono são muito bons condutores térmicos na direção do eixo, exibindo uma propriedade conhecida como “condução balística”; Ao mesmo tempo, são bons isolantes na direção radial. As medições mostram que a condutividade térmica de um nanotubo de parede única à temperatura ambiente é de aproximadamente 3500 W m K ao longo de seu eixo;[75] Em comparação, um metal considerado um bom condutor térmico, como o cobre, transmite 385 W m K. Na direção radial, a condutividade térmica do nanotubo é de cerca de 1,52 W·m·K,[76]​ semelhante à do solo.

Em montagens macroscópicas de nanotubos, como filmes ou fibras, foram medidos até 1500 W·m·K.[77]​ Redes compostas por nanotubos possuem diferentes valores de condutividade térmica, desde o nível de isolamento térmico com condutividade térmica de 0,1 W·m·K até valores elevados.[78]​ O valor específico depende da presença de impurezas, desalinhamentos e outros fatores. Estima-se que os nanotubos de carbono sejam estáveis ​​até uma temperatura de 2.800 °C no vácuo e cerca de 750 °C no ar.[79] Em contraste, os fios metálicos de um microchip derretem em temperaturas entre 600 e 1000 °C.

Os defeitos cristalográficos influenciam fortemente as propriedades térmicas do tubo. Tais defeitos levam ao espalhamento de fônons, que por sua vez aumenta a taxa de relaxamento do fônon e reduz o caminho livre médio e a condutividade térmica das estruturas de nanotubos. Simulações de transporte de fônons indicam que defeitos de substituição, como nitrogênio ou boro, levam principalmente ao espalhamento de fônons ópticos de alta frequência. No entanto, defeitos de maior escala, como os defeitos de Stone-Wales, causam espalhamento de fônons em uma ampla faixa de frequências e causam uma redução adicional na condutividade térmica.[80] As propriedades térmicas dos nanotubos também podem ser modificadas encapsulando metais ou gases em seu interior.

Existem diversas técnicas para produzir nanotubos em quantidades consideráveis, como descarga de arco, ablação a laser, deposição química de vapor e decomposição de monóxido de carbono em alta pressão (HiPCO). A descarga de arco e a ablação a laser são processos em lote, a deposição química de vapor pode ser usada tanto para processos em lote quanto para processos contínuos,[81]​[82]​ e HiPCO é um processo contínuo em fase gasosa.[83]​ A maioria desses processos ocorre no vácuo ou, em métodos que utilizam um gás, na presença dele.

A ablação a laser consiste na vaporização de um alvo de grafite através da irradiação de um pulso de laser em um reator de alta temperatura e na presença de um gás inerte. Os nanotubos se formam quando o grafite vaporizado entra em contato com a superfície fria e se condensa nas paredes do reator. Esse processo costuma ter rendimento típico de 70% em peso e produz nanotubos monocamada com diâmetro que pode ser controlado variando a temperatura dentro do reator.

A descarga de arco foi a primeira técnica com a qual foi possível produzir nanotubos de carbono em quantidades apreciáveis. O método consiste em passar uma corrente elétrica de centenas de amperes entre dois eletrodos de grafite em uma atmosfera de gás inerte a baixa pressão. A descarga subsequente sublima o carbono nos eletrodos e são gerados fulerenos e nanotubos de carbono. O rendimento típico, utilizando esta técnica, é da ordem de 30% em peso e os produtos obtidos são nanotubos monocamadas e multicamadas com um comprimento típico de cerca de 50 mícrones "Micrômetro (comprimento unitário)"). Pode ser combinado com o método de purificação por oxidação desenvolvido por Ebbesen em 1994,[84]​ que consiste em aquecer a fulerita extraída após descarga a 1000 K, em atmosfera de oxigênio por 30 minutos.

A deposição química de vapor é amplamente utilizada, pois apresenta desempenho muito elevado e proporciona certo grau de controle sobre o diâmetro, comprimento e morfologia dos nonatubos. Com a ajuda de catalisadores de partículas, grandes quantidades de nanotubos podem ser sintetizadas usando esta técnica, e já existem várias fábricas de nanotubos e fibras de nanotubos no mundo. Um problema associado a este método é a alta variabilidade nas características dos nanotubos.[85]​.

O processo HiPCO tem potencial para produzir nanotubos de carbono mais comercialmente viáveis. [86]​ Com este método, nanotubos de carbono de parede simples de alta pureza são obtidos em maiores quantidades. O reator HiPCO opera a temperaturas de 900-1100 °C e uma pressão de 30-50 bar. Ele usa monóxido de carbono como fonte de carbono e pentacarbonil de ferro ou tetracarbonil de níquel como catalisador. Esses catalisadores fornecem um local de nucleação para o crescimento dos nanotubos,[83]​ enquanto a deposição química de vapor pode usar catalisadores mais baratos à base de ferro, como o ferroceno.

A deposição de vapor térmico também é usada para obter arranjos de nanotubos de carbono alinhados verticalmente. Neste processo, um substrato (quartzo, silício, aço inoxidável, fibras de carbono, etc.) é revestido por uma camada de metal catalítico, geralmente ferro, depositada por sputtering com espessura de 1 a 5 nm. Freqüentemente, o substrato é primeiro preparado com uma camada de alumina de 10–50 nm, que confere umedecimento controlável e boas propriedades interfaciais. Para iniciar o crescimento dos nanotubos, dois gases são misturados no reator. Um gás de processo – como amônia, nitrogênio, hidrogênio, etc. – e outro gás usado como fonte de carbono – como acetileno, etileno, etanol, metano, etc. – Quando o substrato é aquecido até a temperatura de crescimento (600-850°C), o filme contínuo de ferro se divide em pequenas ilhas onde se formam nanotubos de carbono. O diâmetro do tubo depende do tamanho da ilha, que por sua vez é determinado pela espessura da camada de catalisador. O tempo que a ilha metálica pode permanecer na temperatura de crescimento é limitado, pois elas são móveis e podem se fundir em um número menor de ilhas maiores. O recozimento na temperatura de crescimento reduz a densidade do nanotubo.

Se um plasma "Plasma (estado da matéria)") for gerado pela aplicação de um campo elétrico intenso, durante o processo de crescimento (conhecido como deposição química de vapor aprimorada por plasma), então o crescimento do nanotubo seguirá a direção do campo elétrico.

Os nanotubos de carbono preparados geralmente contêm impurezas, como outros alótropos de carbono (carbono amorfo, fulereno, etc.) ou o metal usado como catalisador.[88]​[89]​ Essas impurezas devem ser removidas para poder usar os nanotubos em diversas aplicações.[90]​.

Sabe-se que os nanotubos de carbono se dispersam fracamente em muitos solventes, como a água, como consequência de fortes interações intermoleculares pp. Isso dificulta o processamento em aplicações industriais. Para melhorar a sua estabilidade e solubilidade em água, foram desenvolvidas diversas técnicas que consistem na modificação da superfície dos nanotubos.[4] Métodos químicos, como a funcionalização covalente, podem ser baseados na oxidação de nanotubos com ácidos fortes, como ácido sulfúrico, ácido nítrico ou uma mistura de ambos para fixar os grupos carboxílicos na superfície dos nanotubos como produto final ou para posterior modificação por esterificação ou aminação.

O enxerto de radicais livres de macromoléculas na superfície dos nanotubos resulta em melhor solubilidade em comparação com tratamentos ácidos comuns, porque as grandes moléculas funcionais facilitam a dispersão dos nanotubos em uma variedade de solventes, mesmo com baixo grau de funcionalização. Em 2017, foi observada a funcionalização covalente de nanotubos de carbono de paredes múltiplas usando pregos. Os nanotubos são funcionalizados em um recipiente por uma reação de enxerto de radical livre e são então dispersos em água produzindo uma suspensão aquosa nanfluídica altamente estável.[93]​.

Existem muitos padrões de metrologia e materiais de referência disponíveis para nanotubos de carbono.[94]​.

Para nanotubos de carbono de parede única, a ISO estabeleceu um método baseado em espectroscopia de absorção óptica para medir o diâmetro, pureza e fração de nanotubos metálicos,[95]​ bem como protocolos para caracterizar a morfologia e composição elementar que utilizam microscopia eletrônica de transmissão e microscopia eletrônica de varredura respectivamente, juntamente com análise de espectrometria de raios X.[96][97]​.

É o padrão NIST SRM 2483 é um pó de nanotubo de carbono de parede única usado como material de referência para análise elementar. Foi caracterizado por análise termogravimétrica, análise de ativação de nêutrons, análise de ativação de nêutrons, espectroscopia de massa com plasma indutivamente acoplado, espalhamento Raman ressonante, espectroscopia de fluorescência no infravermelho próximo visível e espectroscopia de absorção, microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão. O Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá também oferece um material de referência certificado SWCNT-1 para caracterização por análise de ativação de nêutrons e espectroscopia de massa com plasma indutivamente acoplado.[94]​[100]​ NIST RM 8281 é uma mistura de nanotubos de carbono de parede única de três comprimentos diferentes.[98]​ [101]​.

Para nanotubos de carbono de paredes múltiplas, a ISO/TR 10929 identifica as propriedades básicas e o conteúdo de impurezas, enquanto a ISO/TS 11888 descreve a caracterização morfológica usando microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, viscometria e espalhamento de luz "Dispersão (física)").[103] A ISO/TS 10798 também é válida para nanotubos de carbono de paredes múltiplas.

Os nanotubos de carbono são usados ​​na indústria e em bens de consumo. Eles consistem em componentes de bateria pretos altamente absorventes, polímeros e tinta. Existem outras aplicações em desenvolvimento, como transistores de efeito de campo para componentes eletrônicos, tecidos de alta resistência, biossensores para usos biomédicos e agrícolas, entre outros.

Alguns exemplos do uso de nanotubos de carbono estão listados abaixo:

Dentre as aplicações em desenvolvimento podem ser destacadas:

Estudos científicos indicam que as nanopartículas representam um risco maior para a saúde do que outras formas de materiais devido à maior área superficial por unidade de massa. O aumento do comprimento e do diâmetro dos nanotubos se correlaciona com o aumento da toxicidade [123]​ e alterações patológicas no pulmão.[124]​ As interações biológicas dos nanotubos não são bem compreendidas e o campo está aberto para estudos toxicológicos continuados. Muitas vezes é difícil determinar os factores causais para um determinado efeito, e uma vez que o carbono é relativamente inerte biologicamente, a toxicidade atribuída aos nanotubos de carbono pode ser devida em parte à contaminação residual do catalisador metálico. Por exemplo, o nanotubo de paredes múltiplas conhecido como Mitsui-7 demonstrou ser cancerígeno, mas a razão não é clara. Por outro lado, embora os nanotubos de carbono causem inflamação pulmonar e toxicidade em camundongos, a exposição a aerossóis gerados pelo lixamento de compósitos de nanotubos de paredes múltiplas revestidos com polímero, representativos do produto encontrado em materiais comumente usados, não resulta em tal toxicidade.

Agências como o Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional dos EUA (NIOSH) ou a Agência Sueca de Meio Ambiente Ocupacional (Arbetsmiljöverket) publicaram boletins detalhando os perigos potenciais e o limite de exposição recomendado para fibras de carbono e nanotubos.[127]​[128]​ O NIOSH determinou limites de exposição recomendados não regulamentares (RELs) de 1 μg/m para nanotubos. de carbono e nanofibras de carbono como massa respirável em média 8 horas. [129]​ Em outubro de 2016, nanotubos de carbono de parede única foram registrados sob os regulamentos de Registro, Avaliação, Autorização e Restrição de Produtos Químicos (REACH) da União Europeia.[130]​.