Universidade Estadual de Maringá

Departamento de Engenharia Química – CTC

ESTRUTURAS DE CARBONO

Introdução à Microeletrônica

Acadêmico: Lennon José Gazola dos Santos RA 77940

Professor: Sérgio Inácio Gomes

19 de Maio de 2014

Introdução

O carbono é um elemento químico extremamente importante, pois é indispensável à existência da vida, tanto vegetal quanto animal, e também constitui inúmeros compostos minerais. Até mesmo nosso DNA (Ácido Desoxirribonucleico) e as proteínas são formados por cadeias carbônicas. Está presente na estrutura do diamante e do grafite.

O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica. Os dispositivos que utilizam o semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de circuitos. Podemos utilizar o carbono como material semicondutor de uso industrial, em alguns casos como condutor, em outros, como material resistivo ou como componente capaz de suportar determinadas condições térmicas ou químicas.

O Carbono

O Carbono é um elemento não-metálico tetravalente, possui número atômico 6 e massa atômica 12, e está localizado na família 4ª da Tabela Periódica, com símbolo representante C.

A sua união para formação de compostos e moléculas é chamada de ligação covalente, ou seja, o carbono compartilha seus elétrons ligando-se tetraedricamente com os demais elementos ao qual possui afinidade eletrônica, e sua presença na natureza se encontra em duas formas alotrópicas, ou seja, modificando sua estrutura encontramos diferentes formas, que são o diamante e o grafite. O primeiro é um sólido covalente, mais duro existente, que apresenta ponto de ebulição bem elevado e é transparente, já o segundo é um sólido escuro e pouco duro, que possui massa específica de 2,22g/cm³.

A maior parte do carbono presente na natureza está na forma de compostos, principalmente orgânicos, mas também existem compostos carbônicos inorgânicos. Em todo o reino animal e vegetal podemos encontrar o carbono formando os compostos essenciais para a vida, e também em minerais, na forma de carbetos, carbonatos e bicarbonatos.

O uso industrial principal do carbono é como componente de hidrocarbonetos, especialmente os combustíveis como gás natural e petróleo; o primeiro está se impondo como fonte de energia por sua combustão ser mais limpa, já o segundo utilizamos como matéria prima na produção de plásticos, e também na obtenção de combustíveis, pelo processo de destilação, como a gasolina, querosene e óleos.

Recentemente tem sido considerado como um dos elementos principais para o desenvolvimento da moletrônica, mais conhecida como eletrônica molecular, que seria a miniaturização da microeletrônica para a escala nano, utilizando átomos, moléculas e macromoléculas.

Nanotubos de carbono

Desde de 1991, os cientistas têm pesquisado mais uma fibra com um enorme potencial econômico, o nanotubo de carbono (CNT, do inglês carbon nanotube).

São produzidos a partir do enrolamento, feito quimicamente em “folhas” monoatômicas de grafite, o mesmo utilizado para escrever. A estrutura química do grafite permite a separação de camadas finíssimas do material, idealmente com exatamente um átomo de espessura, porém é possível separar camadas mais grossas.

Através de reações químicas complexas, envolvendo calor, eletricidade e metais como o ferro, o níquel ou o cobalto, os cientistas separam a “folha” de grafite do resto do material, e forçam o carbono a criar um túnel. Os nanotubos apresentam tampas que também são formadas por átomos de carbono em suas extremidades. Infelizmente, ainda não foi descoberto como produzir esse material em larga escala, para o uso industrial, e também ainda é um desafio a produção de fibras longas, pois os nanotubos produzidos, de maneira confiável, não passam de poucos milímetros de comprimento.

Aplicações dos nanotubos

Dependendo da maneira com que são produzidos, os CNTs apresentam características químicas e físicas diferentes, e como podem apresentar diversas configurações moleculares, cada uma dessas estruturas se comporta de modos diferentes, e por isso poderíamos utilizar os nanotubos para quase tudo.

Na eletrônica podemos usar o CNT como condutor ou semicondutor. Um nanotubo condutor é até 1000 vezes mais eficiente na transmissão de eletricidade do que os fios de cobre utilizados atualmente, já um nanotubo semicondutor, por suas dimensões reduzidas, pode ser utilizado para incluir circuitos eletrônicos refinados, em objetos de dimensões mínimas. Isso tudo depende da maneira com que os átomos de carbono estão dispostos na estrutura.

Uma das possíveis aplicações dos CNTs é a construção de nano processadores capazes de substituir os chips produzidos atualmente, feitos com silício. Com isso, poderia ser reduzida a necessidade de mineração, já que o grafite pode ser produzido em laboratório a partir de outros materiais, e também diminuir o tamanho de equipamentos eletrônicos e computacionais a dimensões microscópicas.

Outra aplicação dos nanotubos seria na conservação e transmissão eficiente de energia. No Instituto de Tecnologia de Massachussets, MIT (Massachussets Institute of Technology), pesquisadores conseguiram transformar grupamentos de nanotubos de carbono e fulerenos (molécula com estrutura formada por 60 átomos de carbono) em células solares, capazes de capturar e transmitir a energia solar muito mais eficaz do que as células fotovoltaicas que são utilizadas atualmente.

Os CNTs podem ser alinhados sobre uma folha de celulose, onde cada nanotubos nessa configuração age como um eletrodo, capaz de conter e transmitir energia, dessa forma, uma folha de papel se transformaria num tipo de bateria, capaz de fornecer energia de forma contínua e regular, como uma pilha, ou poderia se comportar como um supercapacitor capaz de distribuir um pulso enorme de energia, em questão de milissegundos.

Podemos além da eletrônica, utilizar os nanotubos na indústria têxtil, quando puderem ser produzidos em maiores comprimentos, substituindo muitos tecidos de alta resistência, onde uma roupa tecida de CNTs seria considerada uma armadura corporal, mais eficiente do que o kevlar, material utilizado na fabricação de coletes à prova de balas. Na construção civil, poderíamos substituir os cabos de aço por cabos de nanotubos, pois a resistência à quebra é quase 200 vezes maior do que a de um cabo de aço. Como possui uma alta resistência, poderia ser usado também na construção de fuselagem de foguetes e ônibus espaciais.

Imagens de algumas estruturas de Nanotubos de Carbono:

Conclusão

Dessa forma, o desenvolvimento da produção dos nanotubos seria um grande passo para a humanidade, já que as aplicações na eletrônica, microeletrônica e nanotecnologia são inúmeras, e considerando que a maior parte das máquinas que utilizamos para viver só existe devido a esses ramos, o aumento de facilidade de acesso a várias coisas ficaria evidente.

Muita coisa poderia ser incrementada com os CNTs às tecnologias existentes, como a redução de muitos componentes para nano, na produção de computadores menores e mais rápidos, ou na produção de baterias que duram muito mais tempo possuindo tamanhos extremamente pequenos, e também supercondutores que possuam várias aplicações.

Como a resistência dos nanotubos é muito alta, a fabricação de novas tecnologias seria possível, como roupas a prova de bala, para serem usadas diariamente, ou até mesmo cabos resistentes a rompimentos espontâneos, ou resistentes a terremotos, entre outras causas naturais.

Por ser um composto que possui tantos benefícios, a espera de sua chegada para a aplicação mundial é cada vez maior e pode levar vários anos, porém, como a tecnologia evolui rapidamente, pode ser que equipamentos produzidos a partir de nanotubos de carbono estejam disponíveis mais cedo do que podemos imaginar.

Referências

Eletrônicas:

http://www.brasilescola.com/quimica/formulas-estruturais-carbono.htm

http://pt.wikipedia.org/wiki/Carbono

http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialsemicon/pagina_5.asp

http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletr%C3%B4nica_molecular

http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40422009000700033&script=sci_arttext

http://www.juridicohightech.com.br/2012/11/o-que-sao-nanotubos-de-carbono.html

https://www.google.com.br/

http://www.techtudo.com.br/noticias/noticia/2014/02/nanotubos-de-carbono-podem-tornar-cpus-seis-vezes-mais-rapidos.html