Método de síntese permite nanofios de carbono de pequeno diâmetro e alta densidade

Carbynes, ou longas cadeias lineares de carbono (LLCCs), têm recebido atenção significativa nos últimos anos devido às suas propriedades excepcionais previstas. No entanto, experimentalmente, as suas propriedades têm sido difíceis de sondar devido à sua baixa estabilidade. Para melhorar a estabilidade, é necessário encapsular LLCCs em nanotubos de carbono de pequeno diâmetro (CNTs).

Agora, os pesquisadores desenvolveram um novo método para sintetizar nanofios de carbono de parede única de pequeno diâmetro (SWCNWs), apresentando LLCCs de alta densidade encapsulados em CNTs de parede única. Sua pesquisa é publicada em Cartas de Física Química.

O carbono é famoso por existir em muitas formas físicas diferentes, ou alótropos. Aparece em formas tridimensionais (3D), como grafite e diamante, em estruturas bidimensionais (2D), como grafeno, ou mesmo em cadeias lineares de carbono (LCCs).

Entre eles, os carbinos, cadeias extremamente longas de átomos de carbono únicos, também conhecidos como LCCs longos (LLCCs), têm atraído atenção significativa entre os pesquisadores. Prevê-se que tenham excelente resistência mecânica teórica e condutividade térmicatornando-os promissores para uma variedade de aplicações em campos como nanotecnologia e armazenamento de energia.

Experimentalmente, no entanto, os pesquisadores têm se esforçado para estudar detalhadamente as propriedades dos LLCCs. Isso ocorre porque eles são instáveis ​​em condições ambientais, devido à alta reatividade dos átomos de carbono expostos.

Uma maneira comprovada de resolver esse problema é inserir LLCCs em nanotubos de carbono (CNTs), criando os chamados nanofios de carbono (CNWs).

Na última década, um método promissor foi desenvolvido para sintetizar CNWs, onde pequenas moléculas à base de carbono confinadas dentro de CNTs são aquecidas a altas temperaturas. LLCCs são mais estáveis ​​dentro nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs) com diâmetros de 0,7–0,8 nanômetros (nm). Mas a maioria das tentativas anteriores produziram CNWs de parede única (SWCNWs) com diâmetros maiores que 0,9 nm.

Enfrentando esse desafio, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Takahiro Maruyama, do Departamento de Química Aplicada da Universidade Meijo, no Japão, desenvolveu um método altamente eficiente para sintetizar SWCNWs de pequeno diâmetro com alta densidade de LLCCs.

“Recentemente, foi demonstrado que ao encapsular poliino em SWCNTs, é possível obter nanofios de carbono de pequeno diâmetro”, explica o Prof.

“Com base nisso, sintetizamos nanofios de carbono de parede única com diâmetros ainda menores, ao mesmo tempo que alcançamos concentrações de LLCC significativamente mais altas.”

Para fazer os nanofios, a equipe primeiro misturou SWCNTs abertos com uma solução de n-hexano, contendo moléculas de poliino purificadas em diferentes concentrações. A mistura foi então aquecida a uma temperatura de 80°C durante 24 horas num reator de alta pressão, permitindo que as moléculas de poliino entrassem nos SWCNTs.

Os SWCNTs preenchidos com poliino resultantes (polyyne@SWCNTs) foram então aquecidos a 700°C sob alto vácuo por quatro horas, transformando-os em LLCCs@SWCNTs, ou em outras palavras, os SWCNWs.

A equipe confirmou o encapsulamento eficiente de moléculas poliinas em SWCNTs na primeira etapa e a subsequente formação de SWCNWs usando espectroscopia Raman.

As experiências também revelaram que a concentração de LLCCs nos SWCNWs aumentou com a concentração de moléculas de poliino na solução inicial de n-hexano. Ao otimizar essa concentração, os pesquisadores conseguiram sintetizar SWCNWs com densidade LLCC recorde.

Notavelmente, as amostras SWCNW resultantes tinham diâmetros de apenas 0,73–0,77 nm, muito menores do que os relatados em estudos anteriores. Um diâmetro tão pequeno poderia ser alcançado devido ao pequeno tamanho das moléculas de poliino.

Como explica o professor Maruyama, “Em nossos experimentos, moléculas de poliino com uma forma linear delgada foram usadas como fonte de carbono, exibindo um diâmetro quase igual ao diâmetro de van der Waals dos átomos de carbono. Em contraste, estudos anteriores usaram precursores relativamente maiores moléculas, resultando em SWCNWs com diâmetros maiores que 0,9 nm. “

Além disso, a relação banda L para banda G no espectro Raman, uma medida que reflete a quantidade e densidade de LLCCs, atingiu 3,6 para as amostras otimizadas, o valor mais alto relatado até o momento para esses SWCNWs de pequeno diâmetro.

“Nosso método para sintetizar pequenas partículas de alta densidadediâmetro Os SWCNWs ajudarão os pesquisadores a investigar as propriedades exatas dos LLCCs”, acrescenta o Prof. Maruyama. “Isso pode levar a avanços em muitos campos, desde nanotecnologia até sensores e armazenamento de energia.”

No geral, este trabalho representa um grande avanço para a pesquisa LLCC, aproximando os pesquisadores de desbloquear todo o potencial das longas cadeias lineares de carbono.