As pesquisas mostram que as nanoestruturas de carbono e fulerenos tem características estruturais, eletrônicas e mecânicas únicas. E o surgimento de materiais híbridos trouxeram mais características incomuns a esses nanomateriais, com alto desempenho ou melhoria significativa das propriedades. Entender como as nanoestruturas são formadas, o que as ordena e estabiliza contribuirá com avanços nessa área.[14]
O encapsulamento de moléculas hóspedes orgânicas e inorgânicas em hospedeiros de NTC's tem sido feito experimentalmente com sucesso, através de vários métodos. Por exemplo, encapsulamento em fase líquida, fase vapor e outros [3]. Nesse trabalho as análises foram feitas através de simulações computacionais em dinâmica molecular sobre o sistema de peapods híbridos e apresentaremos alguns resultados simulados.
Um dos elementos mais pesquisados, base da maioria dos compostos conhecidos, é o carbono. Quanto às ligações do átomo de carbono, sendo um elemento tetravalente, pode realizar quatro ligações, com quatro outros átomos, ou ligações duplas e triplas, até que se complete a valência. Essas ligações podem ser tipo sigma ou pi. O carbono apresenta apenas dois orbitais incompletos, logo realizaria apenas duas ligações, totalmente fora do contexto da teoria do octeto. Porém, com o fenômeno da hibridização de orbitais, ou seja, a transferência de elétrons entre os orbitais ‘s’ e ‘p’ de um átomo, temos que, no caso do carbono, pode ocorrer a formação de três tipos de hibridizações: sp3, sp2 e sp. Essas características trazem propriedades interessantes para desenvolvimento de nanoestruturas à base de carbono. Nessa pesquisa estudamos a composição do peapod do alótropo nanotubo de carbono de parede simples (swNTC), suas propriedades a depender da estrutura e tamanho. As propriedades dos nanotubos de carbono podem ser agrupadas de forma útil em três categorias: estruturais, eletrônicas e mecânicas.
O nanotubo de carbono com disposição hexagonal dos átomos formando estruturas cilíndricas e os fulerenos que são estruturas esféricas geodésicas ocas se combinam, sendo o fulereno encapsulado dentro do nanotubo, e formam o que chamamos de peapod (do inglês vagem de ervilha). O peapod pode ser puro, composto apenas de um tipo de átomo, ou híbrido, quando é composto de outros átomos. Aqui trataremos do peapod híbrido de nanotubo de carbono de parede simples (swNTC) que encapsula o fulereno de nitreto de boro (BN60). Portanto, esse peapod híbrido contém átomos de carbono, nitrogênio e boro.
No desempenho mecânico os nanotubos tem alta flexibilidade e elasticidade, superando em até 20 vezes a resistência dos aços de alto desempenho. Com essas propriedades os nanotubos podem ser usados como nanocompósitos no reforço de materiais, o que envolve pesquisas multidisciplinares nas áreas das ciências e engenharias. [14]
Há uma grande variedade de aplicações potenciais para nanotubos, variando de armazenamento de energia, nanocompósitos, nanoeletrônica e outros dispositivos de estado sólido, a sensores e atuadores. [7]
As visualizações das estruturas dos peapods foram feitas no Visual Molecular Dynamics (VMD) e os cálculos das energias foram realizados com o software Lammps. As abordagens deste estudo são teóricas e de simulação computacional. Utilizamos os princípios da dinâmica molecular (DM) clássica e simulações computacionais para as análises. O campo de força utilizado é o ReaxFF que é um campo de forças reativo e descreve a formação e quebra das ligações químicas.
As análises foram feitas por comparação dos resultados das energias dos sistemas de formação do conjunto nanotubo+fulereno, e utilizamos a fórmula:
?Esit = Epeapods - (EswNTC + EBN60) (Kcal/Mol)
Onde:
?Esist = energia de formação do peapods híbrido
Epeapods = energia do peapod
EswNTC = energia do nanotubo de carbono de parede simples
EBN60 = energia do fulereno de nitreto de boro
Simulamos 74 configurações de peapods híbridos, sendo que fomos alterando as estruturas, todos com encapsulamento de 10 BN60, fomos mudando o comprimento do nanotubo e a disposição dos BN60, em zig zague ou linha reta. Com swNTC(10,10), usamos os comprimentos de 98, 100, 103, 105 e 108 Å. Para os NTC(11,11), NTC(12,12), NTC(13,13), NTC(14,14) e NTC(15,15) usamos os comprimentos de 98 e 100 Å. Para swNTC(10,10) a swNTC(15,15), usamos o comprimento de 100 Å e as alturas de 1, 2, 3, 4 e 5 Å. Para swNTC(11,11) a swNTC(15,15), com comprimento variável, altura de 1, 2, 3, 4 e 5 Å e a distância entre os fulerenos foi mantida constante ao valor de 12,07 Å.
As pesquisas de peapods tem proporcionado a análise de nanoestruturas promissoras nos campos atomísticos da química, física, biologia e outros. As aplicações desses estudos podem ser usadas em sistemas de drug delivery ou melhoria da resistência mecânica em materiais nanocompósitos para diversas aplicações.
Pretendemos, após as simulações, analisar as propriedades mecânicas e possíveis aplicações, especificamente em nanocompósitos.
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