SECOM Apresenta: Nanotubos de Carbono

Neste episódio, o pesquisador Evaldo José Corat, da Coordenação de Pesquisa Aplicada e Desenvolvimento Tecnológico (COPDT) do INPE, unidade do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação, nos revelará as aplicações de materiais de carbono.

A COPDT trabalha com materiais de carbono desde 1990. Inicialmente começaram a trabalhar com diamantes, e pouco tempo depois começaram as pesquisas com o DLC (Diamond-LikeCarbon). Esse material é muito interessante para o INPE e para a sociedade, pois foi utilizado como lubrificante no Satélite AMAZONIA 1.

Por volta de 2002 iniciaram os trabalhos com os nanotubos de carbono, e conforme o material foi evoluindo, os pesquisadores foram evoluindo junto com eles. A partir daí surgiram os grafenos , materiais que começaram a ser utilizados nas pesquisas do INPE.  Os nanotubos de carbono tem uma aplicabilidade muito vasta, podendo ser usados tanto em aplicações espaciais quanto em aplicações médicas, além de outras áreas do conhecimento. A interação com a comunidade científica é essencial para identificar onde os nanotubos de carbono possam ser utilizados, pois a dedicação exclusiva à área espacial não cria demanda para o desenvolvimento do material na forma de vanguarda. Por exemplo o DLC, na forma em que o INPE usou no Satélite AMAZONIA 1, não era utilizado em nenhum outro satélite no mundo, e hoje em dia já é usado.

O nanotubo de carbono é uma peça escura e simples que não chama muito a nossa atenção. Eles são feitos de grafite, o mesmo que você usa para escrever com o lápis, e nele há camadas de carbono intercaladas onde a ligação química em cada camada é muito forte, mas entre as camadas é fraca. É por isso que quando escrevemos com um lápis, ele vai deixar rastros de suas camadas. Uma única camada dessas se chama grafeno , e quando enrolamos esse grafeno é criado um nanotubo. Ou seja, os nanotubos de carbono são alguns “tubinhos” feitos de folhas de grafeno enroladas.

Existem dois tipos de nanotubos de carbono: os que são feito apenas com uma única folha de grafeno, que são chamados de nanotubos de parede única . E existem também os nanotubos de múltiplas paredes , que são vários tubinhos um dentro do outro. No INPE os pesquisadores trabalham com os nanotubos de múltiplas paredes, sempre verticalmente e alinhados a uma superfície.

O nanotubo de carbono é um material extremamente hidrofóbico. Ele repele qualquer molécula de água que entra em contato. E com isso fizemos filtros de separação de água e óleo. Outra característica desse material é que ele absorve a luz. Então os nanotubos de carbono verticalmente alinhados, são o padrão hoje em dia para a absorção de luz.  O National Institute of Standards and Technology (NIST-Estados Unidos) estão desenvolvendo radiômetros solares que serão lançados nas naves futuras de observação do sol. Os nanotubos de carbono verticalmente alinhados, utilizados nesses radiômetros, é uma coisa que fazemos no INPE rotineiramente.

O nanotubo de carbono, assim como qualquer novo material, é testado em tudo. Em termos de aplicação espacial no INPE, trabalhamos com a condutividade térmica, e o nanotubo de carbono é um bom condutor de calor e tentamos desenvolver colas com alta condutividade. Uma outra aplicabilidade é o reforço de estruturas. Nós colocamos os nanotubos de carbono em estruturas de fibras de carbono, e essas estruturas de fibras de carbono com superposição de nanotubos de carbono ficam muito mais resistentes. Os satélites usam em suas estruturas o material Honeycomb de alumínio com fibras de carbono, e quando coladas com a fibra de carbono ficam bem mais resistentes. Na área médica, uma das aplicações do nanotubo verticalmente alinhado sobre uma superfície, é em sensores. Nós desenvolvemos os sensores que podem medir a deformação, por exemplo, do movimento de um dedo.  São sensores que suportam deformações acima de 50% do próprio tamanho dele, sendo assim dá para medir grandes deformações.

O nanotubo de carbono é um material muito resistente, mais resistente que o aço. O problema é que ele é um material que se obtém em um tamanho pequeno, e sua junção com outro material pode deixá-lo menos resistente. Também é um material que conduz eletricidade, e sua aplicação pode ser junto com o material grafeno em circuitos internos. Os sensores citados anteriormente, também são sensores piezo-resistivos ,  ou seja, são aplicações elétricas do nanotubo de carbono. Quando os nanotubos são colocados no meio de um polímero (macromoléculas constituídas por unidades menores, os monômeros), por exemplo, e acontece a percolação (quando há vários nanotubos e um vai encostando no outro)  vai se desenvolvendo um caminho de condutividade. E esse caminho é o que dá a alta sensibilidade para esses sensores, pois quando esse caminho é esticado, fica pior a condutividade possibilitando a medição do aumento de resistência. São aplicações eletrônicas e são simples.

Como a aplicabilidade desses materiais é grande, os pesquisadores do INPE sempre estão trabalhando com aplicações de interesse diferentes. Outra aplicação importante dos materiais de carbono, tanto o nanotubo como o grafeno, é no armazenamento de energia, porque eles tem uma alta área superficial, ou seja, têm uma capacitância alta. Uma das aplicações com capacitância é na área de chumbo ácido, que são usadas nas baterias de veículos e serão substituídas pelas baterias de lítio. Só que as baterias de chumbo ácido têm uma propriedade que as baterias de lítio não têm, que é a alta capacidade de fornecer corrente em grande quantidade. Com o surgimento da bateria de lítio, a bateria de chumbo ácido precisou ser atualizada. Por exemplo, a bateria de chumbo ácido nos carros atuais tem partículas de nanotubo de carbono dentro da massa de chumbo que fica na bateria.  Isso faz com que a bateria não pare de funcionar quando o carro para no semáforo, por exemplo, e o motor entra em modo espera .