Introdução
O carbono pode se organizar em um dos materiais mais duros da natureza, ou em um tão macio que as crianças escrevem rastros dele no papel. Várias décadas atrás, os cientistas começaram a se perguntar: além do diamante e do grafite, que outras formas cristalinas o carbono pode assumir?
Em 1985, eles tiveram sua primeira resposta. Um grupo de químicos descobriu pequenas esferas ocas construídas com 60 átomos de carbono que eles apelidaram de buckminsterfulerenos, ou buckyballs ou fulerenos para abreviar. (Os cristais se assemelhavam a cúpulas geodésicas, popularizadas pelo arquiteto R. Buckminster Fuller.) Um novo campo da química surgiu em torno das esferas de tamanho nanométrico, enquanto os pesquisadores corriam para descobrir propriedades e aplicações do que é chamado de molécula mais bonita.
Fulerenos maiores foram encontrados. Então, alguns anos depois, um artigo do físico japonês Sumio Iijima despertou o interesse em uma forma de carbono relacionada, inicialmente apelidada de buckytubes, mas agora conhecida como nanotubos de carbono: cilindros ocos feitos de uma rede de favos de átomos de carbono enrolada como um papel higiênico. tubo.
Os cristais de carbono tinham um espectro de propriedades elétricas, químicas e físicas que nenhum outro elemento parecia igualar. O entusiasmo em torno da nanociência do carbono aumentou ainda mais quando três dos descobridores das fulerenos, Robert Curl, Harold Kroto e Richard Smalley, receberam o Prêmio Nobel de Química de 1996. Então, em 2004, os físicos Andre Geim e Konstantin Novoselov encontraram uma maneira de isolar folhas planas de átomos de carbono – um cristal conhecido como grafeno – iniciando outra explosão de pesquisa que se sustentou desde então e ganhando o Nobel de física de 2010.
Recentemente, os químicos descobriram outro tipo de cristal de carbono - desta vez, com muito menos alarde. A maioria dos especialistas em carbono contatados para esta história ainda não tinha ouvido falar dela. E até agora, todo o suprimento global provavelmente equivale a miligramas, aproximadamente a massa de um punhado de moscas domésticas.
Introdução
Essas estruturas de carbono mais recentes ficam em algum lugar entre os fulerenos esféricos e os nanotubos cilíndricos; eles são “um casamento em nanoescala” dos dois que tem a forma de uma cápsula de remédio, de acordo com Harry Dorn, um químico do Virginia Polytechnic Institute and State University que colabora com Steven Stevenson da Purdue University, o descobridor inicial das moléculas. Stevenson e Dorn nomearam os cristais fullertubes.
Fullertubes combinam as melhores características de fulerenos e nanotubos. Ou o pior de ambos. Ou talvez um pouco do bom e do ruim de cada um - depende de para quem você pergunta. Ainda não se sabe como ou se suas propriedades serão úteis. É um lugar que já estivemos antes, e sem dúvida ainda estamos, com os célebres parentes de carbono dos fullertubes.
Mineração para Fullertubes
O centro do mundo fullertube é um laboratório químico do tamanho de uma sala de estar no campus de Purdue em Fort Wayne, Indiana. Lá, Stevenson e seu pequeno grupo de alunos de graduação coletam e taxonomizam as moléculas recém-descobertas, que consistem em tampas hemisféricas nas extremidades de cilindros de várias larguras e comprimentos.
Em 2020, Stevenson e colaboradores anunciaram o primeiro membro da família fullertube, uma molécula de 90 átomos que é essencialmente duas metades de uma buckyball conectada por uma seção central de nanotubos de 30 átomos. Eles encontraram a molécula junto com duas irmãs maiores feitas de 96 e 100 átomos de carbono, respectivamente.
Este ano, Stevenson e Dorn descreveu mais dois fullertubes, ambos constituídos por 120 átomos de carbono. Seus estudos mostram que a mais estreita dessas moléculas em forma de pílula é eletricamente condutora, enquanto a mais larga e mais curta é – intrigantemente – um semicondutor, o que significa que poderia ser usada para transistores e outros dispositivos eletrônicos. Fullertubes também têm uma gama de propriedades ópticas e de tração que os pesquisadores ainda estão explorando.
Introdução
James Heath, do Instituto de Biologia de Sistemas em Seattle, que ajudou a isolar os primeiros fulerenos como estudante de pós-graduação trabalhando com Curl e Smalley em 1985, chamou os novos fullertubes de “estruturas encantadoras” que seguem a mesma regra geométrica que o levou e seus colegas a procure por fulerenos em primeiro lugar: a regra de que 12 pentágonos e um número par de hexágonos podem formar uma casca fechada. (Buckyballs, por exemplo, têm o mesmo padrão de hexágonos e pentágonos de uma bola de futebol. Fullertubes mantêm a regra enquanto adicionam cinturões extras de hexágonos.)
As moléculas estão sob o nariz dos químicos há anos, escondidas na mesma fuligem especial de carbono que há muito é a principal fonte de fulerenos. Mas em 2020, Stevenson finalmente descobriu como escolher as cápsulas tubulares entre os fulerenos muito mais abundantes. O processo “mágico”, como ele o chama, é “reagir a qualquer coisa esférica. Então separamos as bolas dos tubos.”
A fuligem especial é normalmente produzida pela vaporização do carbono das hastes de grafite dentro de uma câmara. À medida que o vapor de carbono esfria nas paredes da câmara, grande parte dele se condensa em fulerenos, mas raros tubos cheios também se formam, espalhados como pedras preciosas em uma montanha de escória. O truque de mágica de Stevenson depende de moléculas solúveis em água conhecidas como aminas. Estes são atraídos para lugares onde arranjos hexagonais de átomos de carbono se ligam a arranjos pentagonais – interseções que aparecem em todos os fulerenos. Os nanotubos, por outro lado, não são atraentes para as aminas porque apresentam apenas hexágonos, e os fullertubes são parcialmente protegidos das aminas por suas seções intermediárias de nanotubos. Assim, enquanto as aminas se ligam aos fulerenos, tornando-os solúveis em água, os fullertubes não reagidos permanecem insolúveis; Stevenson pode simplesmente enxaguar os fulerenos, deixando os fullertubes para trás.
Ele então passa suas amostras enriquecidas com fullertubes por meio de máquinas que separam as moléculas com base em suas massas e diferenças químicas sutis, produzindo coleções puras de fullertubes com massas, formas e propriedades uniformes.
Introdução
“A abordagem de Steve é definitivamente algo fascinante”, disse o químico Ardemis Boghossian da École Polytechnique Fédérale de Lausanne, na Suíça, que trabalha com nanotubos. “É uma abordagem que não é convencionalmente usada em nosso campo. … O dele é um pouco mais preciso.”
Especialistas dizem que a capacidade de isolar amostras puras e uniformes de fullertubes dá às moléculas muito mais atração do que teriam de outra forma. Os fulerenos também podem ser isolados, mas carecem das propriedades elétricas e ópticas que tornam os fullertubes e os nanotubos promissores como componentes de circuitos elétricos ou sensores baseados em luz. Enquanto isso, a pureza permanece apenas um sonho para os pesquisadores de nanotubos, que muitas vezes trabalham com uma confusão de tubos de comprimentos e diâmetros aleatórios, e até mesmo tubos aninhados dentro de tubos. Assim, os fullertubes poderiam superar os obstáculos que atrapalharam seus primos?
O que aconteceu com Buckyballs?
Em um 1991 artigo em Scientific American, Curl e Smalley imaginaram aplicações revolucionárias de buckminsterfulerenos, incluindo novos supercondutores à base de carbono, eletrônicos e lubrificantes. “A versatilidade do bulk C60 parece crescer semana a semana”, escreveram eles.
Cinco anos se passaram. “Ainda não foram produzidas aplicações úteis na prática”, escreveu o comitê do Prêmio Nobel em um comunicado de imprensa de 1996 anunciando que Curl, Kroto e Smalley ganharam o prêmio de química pela descoberta de buckminsterfulerenos, “mas isso não é de se esperar seis anos depois que quantidades macroscópicas de fulerenos se tornaram disponíveis”.
Um quarto de século depois, nenhum dos produtos inicialmente esperados chegou ao mercado. Os poucos lugares onde você pode encontrar fulerenos comercialmente são cosméticos e suplementos dietéticos que divulgam o potencial da molécula como antioxidante. Nenhum tipo de produto requer a aprovação do FDA, no entanto, e vários estudos mostraram sinais de toxicidade em fulerenos. (Um estudo parece apoiar os benefícios para a saúde, pelo menos ao estender a expectativa de vida de camundongos exposto a radiações ionizantes; outro achado sem benefícios de prolongamento da vida em camundongos.)
Michael Crommie, físico da Universidade da Califórnia, em Berkeley, vê os fulerenos como importantes principalmente por abrir caminho para outros cristais de carbono. “Porque obtivemos buckyballs”, disse ele, “que levaram aos nanotubos e, por fim, ao grafeno”.
Os nanotubos tiveram mais sucesso científico e comercial do que os fulerenos. Você pode comprá-los na loja de ferragens, onde são encontrados em “fita nano” ou “fita lagartixa” que usa os cristais para adesão da mesma forma que os pés dos lagartos usam pelos microscópicos. Os nanotubos são extraordinariamente fortes, com potencial para superar em muito o desempenho do aço – exceto que ninguém conseguiu fazer nanotubos com comprimento suficiente para cabeamento ultrarresistente. Ainda assim, os nanotubos aumentam a resistência quando misturados em tecidos, cascos de barcos, carrocerias de carros de alto desempenho e raquetes de tênis. Eles também são amplamente utilizados para filtragem de água e para melhorar o desempenho de algumas baterias.
Mas enquanto essas aplicações envolvem grandes quantidades de nanotubos de vários comprimentos e diâmetros, aplicações mais inovadoras, como nanosensores de precisão, exigirão nanotubos idênticos entre si. Dois sensores construídos com nanotubos diferentes, por exemplo, responderão de forma diferente ao mesmo estímulo. A eletrônica precisa de componentes uniformes para funcionar de maneira previsível.
Introdução
“Não podemos realmente isolar nanotubos”, disse Boghossian. “Talvez a pessoa que encontrar uma maneira fácil de isolar nanotubos puros possa ganhar um Prêmio Nobel”, assim como Geim e Novoselov ganharam o prêmio de física não por descobrir o grafeno, mas por isolá-lo.
Pesquisadores gostam Yu Huang Wang na Universidade de Maryland estão desenvolvendo uma maneira de cortar nanotubos longos para produzir comprimentos específicos - uma árdua técnica de cima para baixo que começa com uma mistura de nanotubos e os transforma em uma coleção de seções idênticas. Outros pesquisadores estão tentando construir nanotubos de baixo para cima, átomo por átomo, mas essa abordagem é falha e cara.
O grafeno, com suas folhas uniformes de camada única, é onde Crommie acredita que o verdadeiro potencial dos nanomateriais de carbono será alcançado. O melhor caminho para dispositivos eletrônicos e magnéticos baseados em carbono, em sua opinião, é cortar fitas de grafeno em formas úteis – uma técnica que ele diz já ter levado a dispositivos eletrônicos complexos no laboratório.
Introdução
Baby Steps para Fullertubes
Então, que função, se houver, pode ser preenchida pelos fullertubes? Como os cristais são uniformes e podem ser condutores ou semicondutores, Stevenson e Dorn imaginam que eles poderiam ser ligados como Legos de tamanho nano para fazer eletrônicos em miniatura.
Boghossian insere nanotubos em células para estudar o ambiente interno. Ela se baseia na fluorescência de nanotubos: as estruturas absorvem uma cor de luz e emitem outra, e a mudança de luz revela informações sobre as condições celulares. Mas a fluorescência depende da estrutura dos nanotubos, e as diferenças entre eles tornam os sinais mais difíceis de interpretar. Os tubos mais curtos não fluorescem, mas os mais longos mostram sinais disso. Se ainda mais fullertubes fluorescerem mais fortemente, eles poderiam ser uma benção para pesquisas como a dela. “Acho que vai ajudar muito nas aplicações optoeletrônicas”, disse ela.
Desde 2020, de acordo com uma pesquisa de publicações acadêmicas, os fulerenos foram mencionados em cerca de 22,700 artigos. Nanotubos aparecem em 93,000. Uma pesquisa sobre grafeno revela mais de 200,000 citações. Para fullertubes, até o momento em que este livro foi escrito, o número total de publicações relevantes é 94.
Mais pesquisadores podem dar o salto para fullertubes ao longo do tempo, diz Boghossian, se os estudos revelarem propriedades semelhantes às dos nanotubos, com o benefício adicional de comprimentos precisos. Ainda assim, ela disse, “vai precisar de alguma adaptação, porque as pessoas têm trabalhado em nanotubos [e outras formas de carbono] durante toda a vida”.
