Ingredientes domésticos ricos em sódio ajudam a cultivar nanotubos de carbono

Bicarbonato de sódio, sal de cozinha e detergente são ingredientes surpreendentemente eficazes para cozinhar nanotubos de carbono, pesquisadores da MIT encontrei.

Num estudo publicado esta semana na revista Angewandte Chemie, a equipa relata que compostos contendo sódio encontrados em ingredientes domésticos comuns são capazes de catalisar o crescimento de nanotubos de carbono, ou CNTs, a temperaturas muito mais baixas do que as exigidas pelos catalisadores tradicionais.

Os pesquisadores dizem que o sódio pode possibilitar o crescimento de nanotubos de carbono em uma série de materiais de baixa temperatura, como polímeros, que normalmente derretem sob as altas temperaturas necessárias para o crescimento tradicional do CNT.

“Em compósitos aeroespaciais, existem muitos polímeros que mantêm as fibras de carbono unidas, e agora podemos ser capazes de cultivar CNTs diretamente em materiais poliméricos, para fazer compósitos mais fortes, mais resistentes e mais rígidos”, diz Richard Li, autor principal do estudo e um estudante de pós-graduação no Departamento de Aeronáutica e Astronáutica do MIT. “Usar o sódio como catalisador realmente desbloqueia os tipos de superfícies nas quais você pode cultivar nanotubos.”

Os coautores de Li no MIT são os pós-doutorados Erica Antunes, Estelle Kalfon-Cohen, Luiz Acauan e Kehang Cui; ex-alunos Akira Kudo PhD '16, Andrew Liotta '16 e Ananth Govind Rajan SM '16, PhD '19; o professor de engenharia química Michael Strano e o professor de aeronáutica e astronáutica Brian Wardle, juntamente com colaboradores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e da Universidade de Harvard.

Descascar cebolas

Sob um microscópio, os nanotubos de carbono se assemelham a cilindros ocos de tela de arame. Cada tubo é feito de uma rede enrolada de átomos de carbono dispostos hexagonalmente. A ligação entre os átomos de carbono é extraordinariamente forte e, quando modelada em uma rede, como grafeno, ou como um tubo, como um CNT, tais estruturas podem ter rigidez e resistência excepcionais, bem como propriedades elétricas e químicas únicas. Como tal, os pesquisadores exploraram o revestimento de várias superfícies com CNTs para produzir materiais mais fortes, mais rígidos e mais resistentes.

Os pesquisadores normalmente cultivam CNTs em vários materiais por meio de um processo chamado deposição química de vapor. Um material de interesse, como fibras de carbono, é revestido com um catalisador – geralmente um composto à base de ferro – e colocado em um forno, através do qual fluem dióxido de carbono e outros gases contendo carbono. Em temperaturas de até 800 graus Celsius (1.500 Fahrenheit), o ferro começa a extrair átomos de carbono do gás, que se aglomeram nos átomos de ferro e entre si, eventualmente formando tubos verticais de átomos de carbono em torno das fibras de carbono individuais. Os pesquisadores então usam várias técnicas para dissolver o catalisador, deixando para trás nanotubos de carbono puros.

Li e seus colegas estavam experimentando maneiras de cultivar CNTs em várias superfícies, revestindo-os com diferentes soluções de compostos contendo ferro, quando a equipe percebeu que os nanotubos de carbono resultantes pareciam diferentes do que esperavam.

“Os tubos pareciam um pouco engraçados, e Rich e a equipe descascaram cuidadosamente a cebola, por assim dizer, e descobrimos que uma pequena quantidade de sódio, que suspeitávamos ser inativo, estava na verdade causando todo o crescimento”, diz Wardle.

Afinando os botões do sódio

Na maior parte, o ferro tem sido o catalisador tradicional para o cultivo de CNTs. Wardle diz que esta é a primeira vez que os pesquisadores veem o sódio ter um efeito semelhante.

“O sódio e outros metais alcalinos não foram explorados para catálise de CNT”, diz Wardle. “Este trabalho nos levou a uma parte diferente da tabela periódica.”

Para garantir que a observação inicial não foi apenas um acaso, a equipe testou uma série de compostos contendo sódio. Inicialmente, eles experimentaram sódio de qualidade comercial, na forma de bicarbonato de sódio, sal de cozinha e pellets de detergente, obtidos na loja de conveniência do campus. Eventualmente, porém, eles atualizaram para versões purificadas desses compostos, que dissolveram em água. Eles então imergiram uma fibra de carbono na solução de cada composto, revestindo toda a superfície com sódio. Por fim, eles colocaram o material em um forno e realizaram as etapas típicas envolvidas no processo de deposição química de vapor para cultivar CNTs.

Em geral, eles descobriram que, enquanto os catalisadores de ferro formam nanotubos de carbono a cerca de 800 graus Celsius (1.500 graus Fahrenheit), os catalisadores de sódio foram capazes de formar florestas curtas e densas de CNTs a temperaturas muito mais baixas, de cerca de 480 C (900 F). . Além do mais, depois que as superfícies passaram cerca de 15 a 30 minutos no forno, o sódio simplesmente vaporizou, deixando para trás nanotubos de carbono ocos.

“Uma grande parte da pesquisa sobre CNT não consiste em cultivá-los, mas em limpá-los – retirando do produto os diferentes metais usados ​​para cultivá-los”, diz Wardle. “O legal do sódio é que podemos simplesmente aquecê-lo e nos livrar dele, e obter CNT puro como produto, o que não é possível fazer com os catalisadores tradicionais.”

Li diz que o trabalho futuro pode se concentrar na melhoria da qualidade dos CNTs cultivados com catalisadores de sódio. Os investigadores observaram que, embora o sódio fosse capaz de gerar florestas de nanotubos de carbono, as paredes dos tubos não estavam perfeitamente alinhadas em padrões perfeitamente hexagonais – configurações semelhantes a cristais que conferem aos CNT a sua força característica. Li planeja “ajustar vários botões” no processo de CVD, alterando o tempo, a temperatura e as condições ambientais, para melhorar a qualidade dos CNTs cultivados com sódio.

“Existem tantas variáveis ​​com as quais você ainda pode brincar, e o sódio ainda pode competir muito bem com os catalisadores tradicionais”, diz Li. “Antecipamos que com o sódio será possível obter tubos de alta qualidade no futuro. E temos grande confiança de que, mesmo se você usasse bicarbonato de sódio comum Arm and Hammer, deveria funcionar.

Para Shigeo Maruyama, professor de engenharia mecânica na Universidade de Tóquio, a capacidade de preparar CNTs a partir de um ingrediente tão comum como o sódio deverá revelar novos conhecimentos sobre a forma como estes materiais excepcionalmente fortes crescem.

“É uma surpresa que possamos cultivar nanotubos de carbono a partir do sal de cozinha!” diz Maruyama, que não esteve envolvido na pesquisa. “Embora o crescimento de nanotubos de carbono por deposição química de vapor (CVD) tenha sido estudado há mais de 20 anos, ninguém tentou usar metais do grupo alcalino como catalisador. Esta será uma grande dica para uma compreensão totalmente nova do mecanismo de crescimento dos nanotubos de carbono.”

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela Airbus, Boeing, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, ANSYS, Saertex e TohoTenax por meio do Consórcio Nano-Engineered Composite Aerospace STructures (NECST) do MIT.

Referência: “Crescimento em Baixa Temperatura de Nanotubos de Carbono Catalisados ​​por Ingredientes à Base de Sódio” por Dr. Richard Li, Dra. -Chang D. Yang, Dr. Canhui Wang, Dr. Kehang Cui, Andrew H. Liotta, Dr. Alexander Liddle, Dr. Renu Sharma e Dr. Brian L. Wardle, 27 de maio de 2019, Angewandte Chemie.
DOI:10.1002/anie.201902516