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- Introdução: Introdução: Interdisciplinaridade e novas Interdisciplinaridade e novas fronteirasfronteiras
- Nanotubos de carbono.- Nanotubos de carbono.
- Microscopias de Ponta de Prova: fundamentos e - Microscopias de Ponta de Prova: fundamentos e aplicaçõesaplicações
-AFM-AFM
-STM-STM
-MEMS, NEMS e Nanotribologia.MEMS, NEMS e Nanotribologia.
Nanotubos de carbono: Nanotubos de carbono:
.. IntroduçãoIntrodução
. Produção. Produção
. Purificação. Purificação
. Propriedades. Propriedades
. Potenciais Aplicações. Potenciais Aplicações
C-C C-C spsp2 2 distância interatômica: 1.42 Ådistância interatômica: 1.42 Å
Grafite Grafite distância interplanar: 3.35 Å distância interplanar: 3.35 Å
Diamante:Diamante:
carbono carbono spsp33
CC60 60 ::
Carbono Carbono spsp22
- M. Hillert and N. Lange, The structure of graphite filaments, Zeitschr. Kristall 111(1958) 24
Imagens TEM de filamentos de grafite
- T.V Hughes and C.R. Chambers, US Patent 405.480 (1889)
fibras de carbono
Carbono amorfoCarbono amorfo
A. Oberlin, M. Endo, T. Koyama, J. Cryst. Growth 32 (1976) A. Oberlin, M. Endo, T. Koyama, J. Cryst. Growth 32 (1976) 335335
Fibras de carbono produzidas por pirólise de Fibras de carbono produzidas por pirólise de benzeno e ferroceno a 1000benzeno e ferroceno a 1000o o C.C.
Parede simples Parede simples Single wall (SWNT)Single wall (SWNT)
Paredes múltiplas Paredes múltiplas (MWNT)(MWNT)
1985: Descoberta dos fullerenos; H.W. Kroto, J.R. Heath, S. C. O. Brein, R.E. Smaley, Nature 318 (1985) 162.
1991: Observação dos nanotubos de carbono multi-wall por S. Ijima, Nature 354 (1991) 56.
Nanotubos: EstruturaNanotubos: Estrutura
Vetor chiral (perpendicular ao eixo do tubo:
CChh = naa1 1 + maa22
Folha de grafenoFolha de grafeno
aa22
aa11
CChh
aa11 = a3/2 xx + a/2 yy
aa22 = a3/2 xx - a/2 y y ,, com a = 2.46 Å
cos = ângulo entre o vetor chiral e a direção zig-zag
diâmetro do nanotubo: diâmetro do nanotubo:
d = a d = a 3 (m3 (m22 + mn + mn + n+ n2 2 ))1/21/2 / /
Com a Com a 1.42 Å (grafite) < a < 1.44 Å (C 1.42 Å (grafite) < a < 1.44 Å (C6060))
ângulo chiral ângulo chiral = 0, (m,n) = (p,0) zigzag = 0, (m,n) = (p,0) zigzag
= ± 30, (m,n) = (2p,-p) ou (p,p) = ± 30, (m,n) = (2p,-p) ou (p,p) armchairarmchair
p é um número inteirop é um número inteiro
Nanotubos: EstruturaNanotubos: Estrutura
Nanotubos: EstruturaNanotubos: Estrutura
Imagem de STM de dois nanotubos chirais
Nanotubos: EstruturaNanotubos: Estrutura
Nanotubos: semicondutores e metálicosNanotubos: semicondutores e metálicos
Singularidades de Van HoveSingularidades de Van Hove
Nanotubos paredes múltiplas: abertos ou Nanotubos paredes múltiplas: abertos ou fechados?fechados?
A= pentágono e B = heptágono
Produção de Nanotubos de carbono
. Arco catódico
. Ablação por laser
. Deposição Química na Fase Vapor (CVD)
. Pirólise
. Eletrólise
Arco Catódico
. Método Kratschmer-Huffman para produção de C60 modificado.
. Catodo de grafite mais espesso que o anodo, também de grafite.
. Redução da temperatura é importante para o crescimento de nanotubos.
Arco Catódico
Gás: He
Pressão: 400-700 torr
Voltagem DC: 20-30 V
Corrente: 50-100 A
Distância entre anodo e catodo menor que 1 mm
Crescimento dos nanotubosCrescimento dos nanotubos
C2 é responsável pela formação dos MWNT
Catalizadores metálicos: SWNTCatalizadores metálicos: SWNT
Misturas de Ni-Y : 90% SWNT com raio médio de 1.4 nmMisturas de Ni-Y : 90% SWNT com raio médio de 1.4 nm
C. Journet C. Journet et al.et al. , Nature 388(1997) 756 , Nature 388(1997) 756
metalmetal
Ablação por laser
. Síntese de Single wall nanotubes (SWNT).
. Alto grau de pureza.
. Nd/Yag, laser de excímeros e laser de CO2
. Uso de catalisadores metálicos.
. Produção em pequenas quantidades.
Gás: Argônio
Temperatura: 800-1200oC
Ablação por laser
DC-PECVDDC-PECVD
catalisador: filmes finos de Ni tratados térmicamente
Influência da espessura do filme catalisador
Influência da temperatura
Influência da tensão de polarização
Nanotubos multi-wall alinhadosNanotubos multi-wall alinhados
Mecanismo de crescimento
na superfície: Cna superfície: C22HH22 2C + H 2C + H22
Mecanismos de crescimentoMecanismos de crescimento
Difusão no volume
Mecanismos de crescimentoMecanismos de crescimento
Difusão superficial
HREM
Carbono difunde ao longo dos planos (100) do Fe e cristaliza Carbono difunde ao longo dos planos (100) do Fe e cristaliza no lado oposto do grão catalisador.no lado oposto do grão catalisador.
Difusão no volume
Mecanismos de crescimentoMecanismos de crescimento
Microwave- PECVDMicrowave- PECVD
Hot Filament -PECVDHot Filament -PECVD
EletróliseEletrólise
Nanotubos alinhadosNanotubos alinhados
M. Terrones, Nature 388(1998) 53.M. Terrones, Nature 388(1998) 53.
Laser Nd:YAG Laser Nd:YAG ( 266nm)( 266nm)
Co/Co/silicasilica
Nanopartículas de CoNanopartículas de Co
M. Terrones, Nature 388(1998) 53.M. Terrones, Nature 388(1998) 53.
SEM imagesSEM images
imagem TEMimagem TEM
Distância entre planos 3. 4 Distância entre planos 3. 4 ÅÅ
Processos Homogênos: Spray-pirólise
Processos em escala industrial:Processos em escala industrial:
HiPCoHiPCo: (High pressure carbon oxide) reação na : (High pressure carbon oxide) reação na fase gasosa usando Fe(Co)fase gasosa usando Fe(Co)55
para obter SWNT – para obter SWNT – Carbon Nanotechnologies Inc. (Houston, TX)Carbon Nanotechnologies Inc. (Houston, TX)
SWNT- arcSWNT- arc
MWNT-CVDMWNT-CVD
Métodos de PurificaçãoMétodos de Purificação
. Oxidação na fase líquida. Oxidação na fase líquida
. Oxidação na fase vapor. Oxidação na fase vapor
. Filtração. Filtração
. Cromatografia. Cromatografia
Objetivos: remover o catalisador (ácidos)Objetivos: remover o catalisador (ácidos) remover o carbono amorfo (oxidação)remover o carbono amorfo (oxidação)
Estabilidade dos nanotubos x C60
Partículas metálicas
Partícula metálica removidaPartícula metálica removida