Bem longe do trivial
Fabricação de nanotubos em larga
escala é gargalo para a indústria

Rachel Bueno

Os nanotubos de carbono são 100 mil vezes mais finos que um fio de cabelo e invisíveis até para microscópios ópticos. Apesar disso, possuem a maior resistência mecânica dentre todos os materiais conhecidos — não quebram nem deformam quando dobrados ou submetidos à alta pressão. Destacam-se também como dos melhores condutores de calor que existem e, para completar, podem ser capazes de transportar eletricidade. A reunião de tais propriedades em uma única estrutura (e tão pequena!) ativa a imaginação de cientistas e homens de negócios: adicionados a plásticos, os nanotubos podem endurecê-los ou torná-los condutores de eletricidade; a tecidos, poderiam torná-los invulneráveis; por serem extremamente pequenos e leves, podem chegar ao interior de uma célula e serem usados como sensores para diagnósticos médicos.

O entusiasmo com as possibilidades abertas pelas propriedades dos nanotubos para o desenvolvimento de novos materiais excita homens de negócios, e também os cientistas da área. No Brasil, há uma comunidade de pesquisadores estudando nanotubos. Eles estão concentrados em universidades públicas (UFMG, UFPR, UFRJ, Unicamp, e USP, entre outras) e centros de pesquisa (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, em Campinas, SP). "Existe a crença de que os nanotubos venham a substituir o silício na era da nanoeletrônica", ressalta Marcos Pimenta, professor do Departamento de Física da UFMG e coordenador do Instituto do Milênio de Nanociências.

Para que os nanotubos cheguem a se incorporar a materiais de uso comum, há um obstáculo a ser vencido: desenvolver uma tecnologia barata e confiável para produzir o material em quantidade, e segundo especificações pré-determinadas — requisitos imprescindíveis para seu uso industrial. Os processos conhecidos de síntese dessas estruturas não dão conta de uma produção em larga escala. Luiz Orlando Ladeira, professor que pesquisa estes processos no Departamento de Física da UFMG, diz que a dificuldade deriva do fato de a descoberta dos nanotubos ter acontecido recentemente — o primeiro artigo cientifico foi publicado em 1991. "A ciência ainda está aprendendo a dar uma função para eles", diz. Aldo Zarbin, do Departamento de Química da UFPR, acrescenta que os estudos básicos na área também estão longe de serem concluídos. Dentre os pontos que ainda precisam ser explorados, ele cita o desenvolvimento de métodos adequados para retirar impurezas das amostras, o estudo da variação das propriedades dos nanotubos quando combinados a outros materiais, e o desenvolvimento de métodos de síntese que possam ser transformados depois em processo industrial.

Mas, afinal, o que é um nanotubo?

Imagine uma folha de papel enrolada, formando um cilindro. Agora imagine que a folha, ao invés de ser de papel, seja feita de átomos de carbono, e tenha a espessura de apenas um átomo; essa folha enrolada é o nanotubo de carbono. Ocos por dentro, os nanotubos têm as extremidades fechadas, e seu diâmetro é de cerca de um nanômetro — a bilionésima parte do metro. Há duas décadas, o diamante e o grafite eram os únicos materiais conhecidos formados somente por carbono. Em 1985, os cientistas descobriram que átomos de carbono também podiam se organizar no espaço como bolas — os fulerenos. Seis anos mais tarde apareceram os nanotubos. O que distingue estas quatro formas de "carbono elementar" é a maneira pela qual os átomos estão organizados e ligados uns aos outros no material. No diamante, cada átomo de carbono liga-se a quatro outros, que se dispõem no espaço como se estivessem nos vértices de um tetraedro. O grafite, por sua vez, é constituído por folhas de grafeno — estruturas planas de carbono, da espessura de um átomo, em que cada carbono se liga a três vizinhos, o que resulta num desenho semelhante a uma colméia de hexágonos. O grafite se forma pela sobreposição dessas folhas como num maço de papel. No fulereno mais conhecido, o C60, as ligações atômicas estão organizadas em superfícies curvas semelhantes a uma bola de futebol. Os nanotubos também resultam da organização dos átomos de carbonos em folhas, como no grafite; mas em lugar de estarem empilhadas, cada folha se enrola num cilindro. O tubo que resulta de uma só folha é chamado de nanotubo de parede única. Quando várias folhas se enrolam de maneira concêntrica, tem-se o nanotubo de parede múltipla.

"As propriedades dos nanotubos de carbono estão diretamente relacionadas ao fato de serem de parede única ou múltipla. Dependem também do diâmetro, do número de camadas concêntricas (no caso dos de parede múltipla) e da maneira pela qual a folha se enrola", explica Zarbin. Essa forma de enrolar determina se os nanotubos serão condutores ou semicondutores. Essa diferença é crucial para as aplicações mais sofisticadas, como a eletrônica, mas de menor importância para os usos que dependem exclusivamente das propriedades mecânicas dos tubos — pois todos os tipos são duros e resistentes. No momento, a ciência já sabe como produzir separadamente exemplares de parede única e de parede múltipla. Mas a síntese isolada, por exemplo, de nanotubos condutores, ainda é um mistério a ser desvendado.

Como os nanotubos são feitos atualmente?

Hoje, quem consome nanotubos são os laboratórios acadêmicos ou industriais interessados em nanociência e nanotecnologia. Os pesquisadores brasileiros optaram por produzir eles próprios as amostras de nanotubos que utilizam em seus experimentos. Em parte, porque é mais barato sintetizá-los do que comprá-los prontos. "O preço comercial dos nanotubos é extremamente elevado", justifica Zarbin. Há várias empresas que fabricam nanotubos* para vender, entre elas a belga Nanocyl e a norte americana Carbon Nanotechnologies Inc. (leia mais). A Nanocyl vende o grama de nanotubos de parede única sem impurezas por €$ 500,00 e a Carbon Nanotechnologies por US$ 500,00. Outro motivo para a fabricação caseira é o interesse em aprimorar a técnica: "O processo de síntese ainda está em plena atividade de pesquisa", ressalta o pesquisador. Na USP de Ribeirão Preto, por exemplo, o grupo coordenado por José Maurício Rosolen, do Departamento de Química, começou recentemente a sintetizar nanotubos de parede dupla. Na UFMG, o professor Ladeira está estudando técnicas de fabricação em larga escala, embora ressalte que sua maior preocupação é com a qualidade e não com a quantidade. Atualmente seu laboratório é capaz de sintetizar, segundo os cálculos do recém doutor André Ferlauto, cerca de 100 mg de nanotubos puros em meio dia através do processo CVD (de Chemical Vapour Deposition, Deposição Química de Vapor).

A outra maneira de obter nanotubos chama-se "descarga de arco". As universidades brasileiras empregam e dominam ambos os métodos. De acordo com Ladeira, o método por descarga de arco dá origem a nanotubos mais perfeitos, por trabalhar com altíssimas temperaturas. Mas tem a desvantagem de produzir uma grande quantidade de carbonos amorfos. Nos carbonos amorfos, ao contrário do que acontece nas formas cristalinas do carbono (nanotubos, fulerenos, diamante e grafite), os átomos estão desordenados, sem posicionamento nem espaçamento definidos entre eles. A purificação envolve uma série de processos químicos e térmicos complicados. Já a fabricação por deposição química, explica o professor, é mais controlada e não gera tantos carbonos amorfos. Mesmo assim, há uma etapa de purificação necessária para eliminar os resíduos dos catalisadores usados. Ambos os processos produzem nanotubos de parede única e de parede múltipla. Mudanças em determinados parâmetros, como a pressão, determinam a produção de um ou de outro.

Por descarga de arco ou por deposição química de vapor

Na síntese por descarga de arco uma corrente elétrica de alta intensidade é aplicada a dois eletrodos de grafite, que são aquecidos a temperaturas próximas dos 3700° C. A essas temperaturas, o grafite primeiro vira vapor e em seguida se condensa, na forma de uma fuligem que contém nanotubos. O processo ocorre em atmosfera controlada, geralmente preenchida por um gás, mas também pode ser feito dentro da água. Na USP de Ribeirão Preto, Rosolen dispõe de três reatores de descarga de arco: dois em atmosfera de gás hélio e um em água. Os nanotubos foram descobertos por descarga de arco em 1991 pelo pesquisador japonês Sumio Iijima, que os comparou a agulhas. Segundo ele, cada "agulha" compreendia de dois a 50 tubos concêntricos formados por folhas de grafeno. Os nanotubos de parede única só ficaram conhecidos dois anos depois.

Gases como o metano e o etileno (compostos por átomos de hidrogênio e de carbono) são a matéria-prima do processo por deposição química. O gás é introduzido em um forno junto com o catalisador metálico (ferro, níquel ou cobalto). Ambos são aquecidos até aproximadamente 900° C, para que se decomponham. Os átomos de carbono provenientes do gás grudam nas nanopartículas do metal dissolvido. Os nanotubos crescem então a partir destas partículas — o diâmetro deles depende do tamanho delas. A equipe do professor Zarbin utiliza uma molécula "dois em um" no processo CVD. O ferroceno, cuja fórmula é Fe(C5H5)2, possui em sua composição carbono e ferro, que atua como catalisador.

Separar os nanotubos depois de produzidos é um problema

Os nanotubos de carbono geralmente passam por uma espécie de controle de qualidade, a caracterização. "A primeira experiência que toda pessoa que trabalha com síntese de nanotubos faz é a de espalhamento Raman. É uma medida que dá várias informações sobre a qualidade da amostra", explica o professor Marcos Pimenta. O espalhamento é uma das técnicas de caracterização mais difundidas. Nele, um feixe de laser é emitido sobre os nanotubos, que respondem espalhando a luz. Quando analisada em um espectrômetro, a luz espalhada pode revelar, entre outras características, o grau de pureza, o diâmetro, a quantidade de paredes e até a condutividade dos tubos. Apesar disso, ainda não é possível separar os nanotubos que apresentam as mesmas propriedades. "Este tem sido um grande desafio", diz Pimenta. Segundo ele, apenas alguns laboratórios nos Estados Unidos estão começando a estudar alternativas para viabilizar este tipo de separação.

IBM fez transistor usando nanotubos em seus laboratórios

Atualmente, os componentes de computadores são feitos de silício, mas a miniaturização no setor impulsiona a busca por materiais que possam ser usados em chips cada vez menores. Em 2001, cientistas do departamento da IBM dedicado a pesquisas em nanociências (Nanoscale Science Research Department) deram o primeiro passo para mostrar a viabilidade da aposta: conseguiram desenvolver um transistor apenas com nanotubos de carbono. Os transistores funcionam como pontes que levam dados de um lugar para o outro. Quanto menores eles forem, mais transistores caberão em um mesmo chip e, conseqüentemente, maior será a velocidade do computador. Até então, a barreira para esta aplicação tornar-se realidade era a impossibilidade de se produzir nanotubos semicondutores separadamente dos condutores. Transistores precisam de semicondutores. Os métodos conhecidos de síntese, entretanto, dão origem a uma espécie de corda, na qual os nanotubos de ambos os tipos estão fortemente ligados. A única maneira conhecida de isolá-los era manipulá-los individualmente, um processo bastante lento.

A solução encontrada no laboratório da IBM foi chamada de "destruição construtiva". A técnica consiste em destruir os indesejáveis nanotubos condutores através de um choque elétrico. Após a síntese, a "corda" é depositada sobre uma fina camada de silício. Os cientistas utilizam esta camada como um eletrodo capaz de "desligar" os nanotubos semicondutores, o que impede que qualquer corrente os atravesse. Em seguida, aplicam uma voltagem apropriada à camada de silício contendo nanotubos. Os condutores, desprotegidos, acabam sendo destruídos, enquanto os semicondutores permanecem intactos.

Em http://www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm, há uma lista de empresas que comercializam nanotubos.