Nanotubos de carbono - minúsculos tubos obtidos do grafeno - prometem aumentar a velocidade dos circuitos eletrônicos e tornar mais resistentes os compósitos à base de carbono usados em aeronaves e carros de corrida. Um problema central, entretanto, é que os metais usados para crescer nanotubos reagem de forma indesejada com os materiais presentes nos circuitos e compósitos. Agora, pesquisadores do MIT, pela primeira vez, cresceram nanotubos de carbono sem o uso de catalisadores metálicos. Os pesquisadores demonstraram que o óxido de zircônio, mesmo composto encontrado no "diamante falso", pode também crescer nanotubos, com a vantagem de não ter os efeitos indesejados do metal.

As implicações de retirar os metais da produção de nanotubos de carbono são muito importantes. Historicamente, os nanotubos têm sido crescidos com metais tais como ferro, ouro e cobalto. No entanto, esses metais são tóxicos e causam problemas contaminando salas limpas. O uso de metais na síntese dos nanotubos dificulta a investigação do processo de formação dos nanotubos através da espectroscopia de absorção no infravermelho, um desafio que tem mantido pesquisadores sem informações detalhadas sobre alguns aspectos do crescimento dos nanotubos.

"Eu penso que isto muda fundamentalmente a discussão acerca de como entendemos a síntese de nanotubos de carbono", disse Brian Wardle, professor de aeronáutica e astronáutica que liderou o estudo.

Wardle acrescenta ainda que alguns pesquisadores podem achar o resultado controverso, uma vez que, até agora, ninguém provou que algum outro material, diferente de metais, pode ser usado para crescer nanotubos. "As pessoas, com freqüência, comunicam a descoberta de novos catalisadores metálicos", diz ele. "Mas agora temos uma nova classe de catalisadores e novos mecanismos para entender e discutir".

O modelo convencional para o crescimento dos nanotubos diz: um substrato é pulverizado com nanopartículas de um determinado metal, do mesmo diâmetro do desejado para os nanotubos. Substrato e nanopartículas são aquecidos de 600 a 900 graus Celsius. Então, um gás contendo carbono, tal como metano ou etanol, é adicionado ao processo. Em altas temperaturas, as moléculas se separam e se reorganizam. Algumas destas moléculas contendo carbono encontram a superfície das nanopartículas onde se dissolvem e, então, se precipitam na forma de nanotubo.

Os pesquisadores descobriram que, se usarem nanopartículas de óxido de zircônio (zircônia) sobre o substrato, estas também podem catalisar o crescimento de nanotubos de carbono. Um ponto importante é que o mecanismo de crescimento parece ser completamente diferente daquele onde são usados nanopartículas metálicas para o crescimento dos tubos. Em vez de um processo de dissolução e precipitação sobre a nanopartícula, o crescimento parece estar baseado na organização do carbono diretamente sobre a superfície.

Em colaboração com o Prof. Stephan Hofmann, da Universidade Cambridge (Reino Unido), os pesquisadores do MIT realizaram experimentos observando o crescimento dos nanotubos, usando a espectroscopia de fotoelétrons na região do raio-X. As medidas mostraram que quando os nanotubos são formados, o óxido de zircônio permanece inalterado, portanto, sem se transformar na fase metálica, reforçando assim as conclusões dos pesquisadores.

Crescimento de nanotubos de carbono utilizando ZrO₂.

Créditos: JACS.

Uma das mais excitantes implicações de nossa descoberta é que a fibra de carbono e compósitos, usada em diferentes tipos de veículos, pode ser fortalecida pelos nanotubos. "Compósitos são duráveis, mas são deficientes, desapontam quando submetidos a determinadas condições, como quando a madeira compensada se rompe," diz Stephen Steiner, um estudante de pós-graduação do MIT e o primeiro autor do estudo. "É possível reforçar compósitos em nível microscópico, da mesma forma que o ferro reforça concreto em um prédio ou em uma ponte?" Isto é exatamente o que estamos tentando fazer para melhorar as propriedades mecânicas e a resistência à fratura dos compósitos de carbono."

Steiner seguiu dizendo que a razão pela qual aviões como o Airbus A380 e o novo Boeing 787 serem feitos de 40% de compósitos e não de 90% é que os compósitos não são resistentes o suficiente para serem usados em todas as partes da aeronave. No entanto, se os compósitos fossem reforçados com os nanotubos, os aviões poderiam ter mais compósitos na sua composição, o que os tornaria mais leves e mais baratos para voar, uma vez que demandariam menos combustível.

Os achados já impressionaram os pesquisadores da indústria. "Esta inovação tem implicações importantes para a produção comercial de nanotubos de carbono", diz David Lashmore, CTO da Nanocomp Technologies Inc., uma empresa em Concord, (EUA), que não está envolvida na pesquisa. "Pela primeira vez foi usado um catalisador cerâmico ao invés de um metal de transição, sendo que alguns deles são carcinogêncios."

Wardle suspeita que, nos próximos anos, outros catalisadores à base de óxidos metálicos serão encontrados. Ele e sua equipe irão focar em tentar entender os mecanismos fundamentais deste tipo de crescimento e contribuir para aumentar o arsenal de catalisadores usados no crescimento de nanotubos. Enquanto os pesquisadores não têm uma agenda definida, eles acreditam que seria fácil comercializar o processo porque ele é simples, adaptável e, em muitos aspectos, mais flexível que o crescimento com outros metais.

Esta pesquisa foi financiada pela Airbus S.A.S., Boeing, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, Spirit AeroSystems, Textron Inc., Composite Systems Technology e TohoTenax, através do consórcio MIT's Nano-Engineered Composite aerospace Structures (NECST).

MIT (Tradução - AGF).

Nota do Managing Editor: o artigo que serviu de base para esta notícia, de título " Nanoscale Zirconia as a Nonmetallic Catalyst for Graphitization of Carbon and Growth of Single- and Multiwall Carbon Nanotubes", de autoria de S. A. Steiner, III, T. F. Baumann, B. C. Bayer, R. Blume, M. A. Worsley, W. J. MoberlyChan, E. L. Shaw, R. Schlogl, A. J. Hart, S. Hofmann e B. L. Wardle, foi publicado no periódico Journal of American Chemical Society, on-line, 10 de agosto, 2009, DOI: 10.1021/ja902913r.

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