Novos insights sobre a fraqueza mecânica de fios torcidos de nanotubos de carbono

Além de ser um elemento essencial para a vida, o carbono está sendo ativamente pesquisado devido à sua versatilidade como material de engenharia. Os nanotubos de carbono (CNTs), em particular, demonstraram um enorme potencial para aplicações aeroespaciais, semicondutoras e médicas, principalmente devido à sua alta resistência e baixo peso.

Como os CNTs são normalmente curtos, eles precisam ser tecidos em feixes ou fios para expandir seus usos práticos. No entanto, os cientistas notaram que os feixes de CNT (CNTBs) e os fios de CNT exibem uma resistência à tração muito menor do que os CNTs individuais quando são torcidos – esta queda no desempenho de alongamento pode até atingir várias ordens de grandeza! O pior é que, apesar dos esforços de investigação, as razões por detrás deste fenómeno permanecem obscuras.

Num estudo recente publicado em Carbono em 30 de maio de 2024, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor associado Xiao-Wen Lei, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, no Japão, procurou resolver esse quebra-cabeça. Ao combinar simulações de dinâmica molecular (MD) e o algoritmo de triangulação de Delaunay, eles esclarecem o que pode estar acontecendo dentro dos CNTBs à medida que são torcidos.

Os pesquisadores projetaram vários modelos e configurações de CTNB para as simulações MD, considerando diferentes números de camadas de CNT, comprimentos de CNT, ângulos de torção e perfis de força de torção. Depois de executar as simulações, eles analisaram cuidadosamente como os CNTBs reagiram ao alongamento antes e depois da torção.

Ao observar a seção transversal dos CNTBs torcidos, a equipe revelou que o fraco desempenho mecânico dos CNTBs e dos fios CNT pode ser causado pelo que é conhecido como “divulgações de cunha”. Para entender o que são, deve-se primeiro saber que os CNTs se organizam naturalmente em padrões hexagonais quando agrupados. Uma divulgação refere-se a um defeito neste padrão, em que falta um CNT no grupo de seis (divulgação positiva) ou um CNT adicional é inserido para formar um arranjo de sete (divulgação negativa).

Com base nas simulações, os pesquisadores descobriram que quando os CNTBs eram torcidos, surgiam divulgações devido a rearranjos locais de CNT. Essas divulgações formavam linhas de divulgação longas e curvas em CNTBs com mais camadas. Mais importante, essas linhas pareciam ter um efeito direto no comportamento dos CNTBs após o alongamento mecânico.

“Observamos que a presença de linhas de divulgação resultou em uma diminuição no módulo de Young dos CNTBs, com linhas de divulgação mais longas correspondendo a um módulo de Young mais baixo. O aparecimento de linhas de divulgação em CNTBs torcidos pode, portanto, ser uma das principais razões para o declínio nas propriedades mecânicas dos fios CNT”, explica Lei.

Tomados em conjunto, os resultados deste estudo ajudam a explicar algumas das limitações atuais dos CNTBs e sugerem soluções potenciais para realizar fios CNT de alto desempenho através da torção.

“Aproveitar insights obtidos a partir da compreensão da correlação entre mudanças estruturais de empilhamento interno microscópico e propriedades mecânicas causadas pela introdução de defeitos de rede em materiais pode ser pioneiro em um novo campo acadêmico relacionado à ciência computacional de materiais”, destaca Lei. “Nossa meta final é que nossa pesquisa contribua para a realização de uma sociedade inteligente, sustentável e próspera em um futuro próximo.”

Com alguma sorte, os desafios atuais associados aos CNTs serão em breve abordados para que estes materiais surpreendentes nos ajudem a impulsionar ainda mais o estado da arte.