Os nanotubos de nitreto de boro (BNNT) são um dos novos materiais mais promissores que a nanotecnologia oferece. Como o nome sugere, os BNNTs têm a mesma estrutura cilíndrica dos nanotubos de carbono (CNT), mas são atomicamente diferentes em seu arranjo, portanto, apresentam características distintas.
Foi em meados da década de 1990 que pesquisadores começaram a identificar os BNNTs. Desde então, eles rapidamente despertaram o interesse de especialistas em diversas áreas devido às suas fascinantes propriedades mecânicas, térmicas e elétricas.
A estrutura, síntese, propriedades e ampla exibição de aplicações de BNNTs serão discutidas, fornecendo evidências de suas capacidades como um nanomaterial versátil para o futuro.
Propriedades estruturais e físicas do BNNT
Tubos sem costura feitos de folhas hexagonais de nitreto de boro (HBN) de seção transversal radial são enrolados em nanoestruturas cilíndricas, conhecidas como BNNTs.
Eles incorporam uma estrutura que tem algo a ver com a rede de grafite, onde átomos de boro e nitrogênio se revezam para se encontrar. Descobriu-se que esses nanotubos de BN são estáveis devido à presença de fortes ligações BN.
Ao contrário dos nanotubos de carbono, os análogos de carbono dos BNNTs não podem conduzir eletricidade, pois possuem uma ampla banda proibida em torno de 5,5 eV, que não varia com o ângulo quiral ou diâmetro do tubo.
Ao apresentar BNNTs, pode-se dizer que há contradições em termos de propriedades exibidas pelas estruturas.
Estabilidade em temperaturas elevadas:
Os BNNTs podem tolerar cerca de 900 °C no ar, enquanto os nanotubos de carbono começam a oxidar a cerca de 600 °C. Isso os torna bons candidatos para condições de alta temperatura.
Alta Resistência Mecânica:
Os BNNTs apresentam resistência à tração excepcional com valores de módulo de Young em comparação com os dos nanotubos de carbono (cerca de 1,3 TPa). Seus efeitos piezoelétricos melhoram suas propriedades mecânicas, permitindo assim que seja usado em sensores e atuadores em nanoescala.
Estabilidade química e térmica:
A presença de fortes ligações BN em BNNTs resulta em um alto nível de resistência à oxidação e ao desgaste químico. Demonstra resistência quando usado em ambientes desafiadores, incluindo bases e ácidos fortes.
Biocompatibilidade:
Observa-se que a baixa toxicidade e biocompatibilidade dos BNNTs permitem seu uso em biomedicina visando o transporte de fármacos, ou biossensores, implantes e mecanismos de intubação.
Isolamento elétrico de alta condutividade térmica:
Assim como as propriedades térmicas, os BNNTs são considerados bons isolantes elétricos e possuem alta condutividade térmica. Isso permite que sejam utilizados com eficácia para gerenciamento térmico em formulações de diferentes sistemas eletrônicos.
Síntese de BNNTs
A síntese de BNNTs tem sido tentada utilizando diversos métodos, como a técnica de síntese por fluxo de gás, mas é bastante difícil escaloná-los. Alguns dos métodos comuns são descritos abaixo.
Deposição Química de Vapor (CVD):
Nesse processo, uma fonte de boro, como óxido de boro ou haletos de boro, juntamente com uma fonte de nitrogênio, é aquecida e decomposta para formar o depósito necessário. Utilizando CVD, BNNTs de tamanho e formato ajustáveis podem ser fabricados com alta razão de aspecto.
Ablação a laser:
Um alvo pulverizado de boro é consumido por meio de um laser de alta potência em um invólucro preenchido com nitrogênio. O nitrogênio então fornece o elemento que falta para criar BNNTs. Embora essa técnica seja eficaz na fabricação de BNNTs de alta qualidade cristalina, sua relação custo-benefício não favorece a produção em massa.
Moagem e recozimento de esferas:
Este é um método de duas etapas em que, primeiro, um tubo de pó de boro é moído em bolas para obter pequenos grânulos de pó de boro, e o pó de boro é então aquecido em um ambiente de nitrogênio para sintetizar BNNTs. No entanto, este método é mais barato, os tubos resultantes são mais curtos, mais uniformes em comprimento e menos numerosos.
Descarga de arco de plasma:
Nesta técnica, um arco de plasma é formado entre dois eletrodos de boro em uma atmosfera de nitrogênio. As altas temperaturas características do arco de plasma são responsáveis pelo crescimento dos BNNTs. Estudos sugerem que este procedimento é eficiente na produção de grandes volumes, mas a qualidade pode ser diferente.
Aplicações de nanotubos de nitreto de boro
Devido às suas propriedades excepcionais, os BNNTs têm muitas aplicações, desde elétricas e térmicas até biomédicas e engenharia aeroespacial.
1. Eletrônica e Optoeletrônica
BNNTs são materiais inovadores que oferecem alta confiabilidade em eletrônica. Esses materiais oferecem excelente isolamento elétrico com alta característica de dissipação de calor. Transistores de alta frequência alcançam desempenho aprimorado com a adição de BNNTs, que ajudam a mitigar o ruído elétrico. Esses materiais também são úteis em eletrônica de alta potência, pois podem suportar temperaturas muito altas sem perder sua integridade estrutural.
Na optoeletrônica, os BNNTs são usados para fornecer uma superfície ideal para a arquitetura de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs), devido ao seu substrato opticamente transparente e durável. Eles também aprimoram o desempenho do fotodetector, proporcionando melhor transporte de carga e dissipação de calor.
2. Gestão Térmica
Devido à sua alta condutividade térmica e alta estabilidade térmica, os BNNTs também são úteis quando há necessidade de gerenciamento térmico em dispositivos eletrônicos. Com a geração atual de dispositivos eletrônicos sendo menor e mais potente, há uma necessidade crescente de dissipação de calor eficaz para evitar o superaquecimento. Os BNNTs podem ser usados como materiais de interface térmica, permitindo a transferência de calor e, ao mesmo tempo, garantindo o isolamento elétrico.
3. Compósitos e Materiais Estruturais Os BNNTs são potencialmente os melhores elementos de reforço em materiais compósitos devido às suas propriedades mecânicas excepcionais. Graças à incorporação de BNNTs em polímeros, metais ou cerâmicas, os pesquisadores podem produzir materiais compósitos leves, mais resistentes, termicamente estáveis e duráveis do que os compósitos comuns.
Esses compósitos seriam utilizados nos setores aeroespacial e automotivo, onde o peso dos componentes e o desempenho dos materiais são de suma importância.
Por exemplo, a incorporação de BNNTs em matrizes poliméricas aumenta significativamente a resistência mecânica, a condutividade térmica e a resistência à radiação das matrizes. Essa qualidade permite que elas resistam até mesmo às condições extremamente hostis prevalecentes no espaço.
4. Aplicações Biomédicas
A natureza biocompatível dos BNNTs permite sua utilização em diversas áreas biomédicas. Os BNNTs também podem servir como sistemas de liberação de fármacos devido à sua grande área de superfície para fins de liberação. Biomoléculas podem ser usadas para revestir BNNTs a fim de incorporá-los com sucesso em sistemas vivos.
Além disso, quando se trata de engenharia de tecidos, os BNNTs servem como arcabouços para o crescimento celular e a reconstrução de tecidos. Possuem grande resistência e biocompatibilidade, o que auxilia no processo de cicatrização de feridas.
Biossensores e implantes médicos são algumas das aplicações dos BNNTs devido à sua natureza piezoelétrica. Eles geram impulsos elétricos quando uma força externa é aplicada, o que também pode detectar alterações no corpo.
5. Armazenamento e Produção de Energia
Os estudos sobre BNNTs também abrangem seu uso como materiais para dispositivos de armazenamento de energia, como baterias ou ultracapacitores. A grande área de superfície desse material de eletrodo sintetizado a partir de BNNTs e sua estabilidade ajudam a melhorar o desempenho em termos de capacidade de armazenamento de energia e ciclos de vida dos dispositivos de armazenamento de energia.
Dispositivos vestíveis alimentam uma das aplicações dos BNNTs, que é a piezoelétrica, onde seus materiais podem transformar energia mecânica em formas como vibrações ou movimentos do corpo em energia elétrica.
6. Proteção contra radiação
Os BNNTs também possuem excelentes propriedades de proteção contra radiação, especialmente contra radiação de nêutrons. Isso os torna adequados para uso em áreas como missões espaciais, dentro de reatores nucleares e máquinas de tratamento de câncer. O uso de BNNTs em compósitos pode aumentar a resistência do material contra radiações nocivas, ao mesmo tempo em que reforça o design do material.
7. Mecanismos sensoriais e elementos de transdução
As propriedades piezoelétricas e semicondutoras dos BNNTs os tornam adequados para a fabricação de sensores e atuadores em nanoescala. Esses materiais compósitos de BNNT podem ter pressão, deformação ou ambientes químicos alterados em um grau específico, com grande sensibilidade e resposta rápida, proporcionadas por sensores de deformação de alto desempenho.
Essas características podem ser exploradas na construção de sensores finos e vestíveis com a finalidade de capturar índices fisiológicos.
Resumindo
Nanotubos de nitreto de boro são uma classe de materiais em nanoescala que apresentam uma série de características interessantes. Suas características únicas, incluindo altíssima estabilidade térmica, elevadas propriedades mecânicas (permitindo biocompatibilidade) e isolamento térmico, permitem que se tornem um material multifuncional para uma ampla gama de áreas, como eletrônica, biomedicina, aeroespacial, etc.
Da perspectiva do futuro, pode-se dizer que as expectativas em relação aos BNNTs são otimistas, uma vez que as novas formas de sintetizá-los podem ser integradas ao melhor entendimento desses materiais.
Os avanços na nanotecnologia, aliados à necessidade de materiais de alto desempenho, provavelmente estimularão ainda mais pesquisas e desenvolvimento na área de BNNTs.