T45. Carbon Nanotubes by Fredric M. Menger, Emory University, USA

Nanotechnology is an exciting field dealing with chemical structures between 1 and 100 nanometers (10-9 meters). For comparison, a human hair is 50,000 nanometers in diameter. Thus, chemists have become the "architects" of very small ("nanoscale") devices with many potential applications. One of these is the carbon nanotube.

Carbon sheets are formed when carbon atoms link together in a hexagonal pattern resembling chicken wire. These sheets can lie on top of one another to create a slippery material called graphite. Graphite is black and is used in pencils. When you write with a pencil, layers of graphite slide off and make a mark on the paper. Graphite-like structures can also take the form of hollow cylindrical structures, called nanotubes, that resemble a long soda straw made of chicken wire (see picture below). Nanotubes are commonly made by the "arc discharge" method. Thus, when two graphite electrodes are subjected to an intense electrical current, the hot spark jumping between the electrodes produces a carbon vapor. Nanotubes are formed in this vapor by a mechanism that is not fully understood.

Figure showing a single-walled carbon nanotube with carbons at each corner of the hexagons (Source: http://www.grayshockey.com.au/news_images/132.jpg).

The properties of nanotubes are amazing. A nanotube is 60 times stronger than a steel wire of the same diameter. It has been estimated that a truck could be suspended on a nanotube cable having the thickness of a human hair (which has yet to be made!). Although the price of nanotubes is dropping, costs are still too high for many commercial uses. Yet research in the area is intense, and in coming years one can expect many new carbon-nanotube-based products to appear on the market. Listed below are a few products in development.

(1) Carbon nanotubes have been added to plastic to strengthen tennis rackets

and golf clubs. (2) Carbon nanotube fibers have been used in bullet-proof clothing. (3) Carbon nanotubes have been made into filters for removing salt from sea water (a process called "desalination"). (4) Carbon nanotubes have been added to concrete to reduce cracking. (5) Carbon nanotubes have been investigated for their ability to store large amounts of hydrogen. (6) Certain single-walled nanotubes, that exceed copper in the ability to conduct electricity, have been made into wires. Multi-walled nanotubes, which have interconnected inner shells, become "superconducting" (conducting without resistance) at 12o above absolute zero. (7) Nanotubes have been incorporated into solar panels that convert sunlight into electricity. (8) Thin battery electrodes have been made by infusing paper sheets with aligned carbon nanotubes. (9) Cancer has been treated by attaching antibodies to carbon nanotubes. After the antibodies bind to the cancer cells, the nanotubes are irradiated, and the resulting heat kills the cells. (10) Components of electronic circuitry, such as transistors and capacitors, have been fabricated from carbon nanotubes.

NANOTUBOS DE CARBONO Fredric M. Menger, Emory University, EUA

A nanotecnologia é uma área de pesquisa excitante que lida com estruturas químicas entre 1 e 100 nanômetros (10-9 m). Para comparação, um cabelo humano é de 50.000 nanômetros de diâmetro. Assim, os químicos tornaram-se "arquitetos" de dispositivos muito pequenos ("nanoescala") com muitas aplicações potenciais. Um destes é o nanotubo de carbono.

Folhas de carbono são formadas quando átomos de carbono se ligam em um padrão hexagonal semelhante às cercas de arame. Estas folhas podem ficar umas em cima das outras criando um material escorregadio chamado grafite. O grafite é o material preto usado nos lápises. Quando você escreve com um lápis, as camadas de grafite deslizam-se e transferem-se para fazer uma marca no papel. Estruturas como grafite também podem assumir a forma de estruturas cilíndricas ocas, chamadas de nanotubos, que se assemelham a um canudo de refrigerante feito de uma longa cerca de arame (ver imagem abaixo). Os nanotubos, geralmente, são feitos pelo método da "descarga por arco". Assim, quando dois eletrodos de grafite são submetidos a uma intensa corrente elétrica, a centelha quente salta entre os eletrodos produzindo vapor de carbono. Os nanotubos são formados neste vapor por um mecanismo que não é totalmente compreendido.

Figura mostrando um nanotubo de carbono de parede única, com carbonos em cada canto dos hexágonos (Fonte: http://www.grayshockey.com.au/news_images/132.jpg).

Propriedades dos nanotubos são surpreendentes. Um nanotubo é 60 vezes mais forte do que um fio de aço, do mesmo diâmetro. Estima-se que um caminhão pode ser levantado com um cabo de nanotubos com a espessura de um cabelo humano (o cabo ainda tem que ser feito!). Embora o preço dos nanotubos está caindo, os custos são ainda demasiados elevados para usos comerciais. No entanto, as pesquisas na área são intensas, e, nos próximos anos pode-se esperar que apareçam no mercado muitos novos produtos baseados em nanotubos de carbono. A seguir, estão listados alguns produtos em desenvolvimento.

(1) Nanotubos de carbono foram adicionados ao plástico para reforçar raquetes de tênis e bastões de golfe. (2) Fibras de nanotubos de carbono têm sido usadas em roupas à prova de balas. (3) Os nanotubos de carbono têm sido utilizados em filtros para remover o sal da água do mar (um processo chamado "dessalinização"). (4) Os nanotubos de carbono têm sido adicionados ao concreto para reduzir rachaduras. (5) Os nanotubos de carbono têm sido investigados por sua capacidade de armazenar grandes quantidades de hidrogênio. (6) Alguns nanotubos de parede única, superam ao cobre na capacidade de conduzir eletricidade e, foram transformados em fios. Nanotubos de paredes múltiplas, que têm camadas internas interligados, tornando-se "supercondutores" (conduzem sem resistência) a 12o acima do zero absoluto. (7) Os nanotubos foram incorporados em painéis solares que convertem a luz solar em eletricidade. (8) Eletrodos finos para baterias foram feitos através da infusão de folhas de papel, com nanotubos de carbono alinhados. (9) Câncer tem sido tratado, anexando anticorpos nos nanotubos de carbono. Depois que os anticorpos ligam-se às células cancerosas, os nanotubos são irradiados, e o calor resultante mata as células. (10) Componentes de circuitos eletrônicos, como transistores e capacitores, tem sido fabricados a partir de nanotubos de carbono.