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Nanomateriais INCT 1 Nanomateriais Material organizado por: Dra. Honória de Fátima Gorgulho [email protected] Essa apostila teve a colaboração da Dra. Jaqueline Soares [email protected]

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Nanomateriais - Introdução

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Nanomateriais – INCT – 1

Nanomateriais Material organizado por: Dra. Honória de Fátima Gorgulho

[email protected]

Essa apostila teve a colaboração da Dra. Jaqueline Soares

[email protected]

Nanomateriais – INCT – 2

Porque nanomateriais?

Os nanomateriais apresentam, pelo menos, uma de suas dimensões em tamanho

nanométrico, ou seja, em escala 1/1.000.000.000, ou um bilionésimo do metro (1 nm =

10-9 m). A motivação nesta área esta relacionada ao fato de que nessa escala de

tamanho, os materiais apresentam algumas propriedades que não são observadas quando

em tamanho micro ou macroscópico, por exemplo, a tolerância à temperatura, a

variedade de cores (propriedades óticas) , as alterações da reatividade química e a

condutividade elétrica. Para se ter uma ideia da dimensão dos nanomateriais, vamos

observar a figura-1. Esta figura mostra uma imagem de nanofibras, que são de 10 a 100

vezes menor em diâmetro do que as fibras têxteis convencionais, em comparação com

um fio de cabelo humano, que possui 80.000 nm de diâmetro, as nanofibras são 1.000

vezes menor em diâmetro. Quando a escala de comprimento fica na faixa de 1 - 100 nm,

torna-se comparável com as escalas de comprimento críticas de fenômenos físicos,

resultando nos chamados "efeitos de tamanho e forma." Isso leva à propriedades únicas

observadas nestes nanomateriais, além da oportunidade de usar tais nanomateriais em

novas aplicações e dispositivos. Fenômenos que ocorrem nesta escala de comprimento

são de interesse para os físicos, químicos, biólogos, engenheiros elétricos e mecânicos,

e cientistas da computação, fazendo pesquisas em nanotecnologia uma atividade de

fronteira em ciência dos materiais [1].

Figura 1. Uma imagem de nanofibrils mostrado com um fio de cabelo humano para

referência (reproduzido com permissão de Espin Technologies, Inc.)

http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/tutorial.html

Nanomateriais – INCT – 3

Nesse mundo dos átomos e moléculas, as substancias podem ter comportamento muito

diferente, por exemplo: em macroescala o cobre metálico é inerte ao ouro, enquanto en

naoescala torna-se quimicamente muito ativo e o carbono, que é bastante frágil em sua

forma macroscópica, ocorrendo normalmente (grafite), torna-se incrivelmente resistente

quando em um arranjo nanométrico chamado nanotubos de carbono. Em outras

palavras, os materiais podem ter diferentes propriedades físicas e químicas quando em

nanoescala, embora eles ainda sejam os mesmos materiais! As nanopartículas possuem

uma área superficial muito mais exposta e os atomos e moléculas possuem o movimento

mais livre. Estas diferenças afetam a reatividade química do material bem como suas

propriedades físicas e fisico-químicas [2,3].

Um fator interessante é que na escala micro e macroscópia a força da gravidade é a

interação mais importante sofrida pelos materiais, ela domina tudo ao nosso redor, de

modo que nosso cabelo fica pendurado em torno de nossa cabeça. Ma isso aconteceria

em nanoescala? Em nanoescala, as forças eletromagnéticas entre os átomos e moléculas

são mais importantes do que a gravidade. E as vibrações térmicas (o modo como os

átomos e as moléculas se movimentam ao receberem calor) se tornam extremamente

significativas no comportamento destes materiais.

Por fim, as regras em nanoescla são muito diferentes da que estamos

acostumandos em nosso mundo macroscópico, e por isso essa é uma área

tão facinante...

Nanomateriais

A síntese, caracterização e processamento de materiais nanométricos são parte de um

campo de pesquisa emergente e em rápido crescimento no mundo atual. Pesquisas nesta

área tem levado à descobertas científicas que estão revolucionando nossa tecnologia, em

especial na produção de sensores, fármacos e dispositvos eletrônicos.

Alguns exemplos dos mais interessantes nanomaterias estão descritos abaixo:

1- Materiais Nanocristalinos

Estes materiais são montados a partir de blocos (ou cristalitos) de tamanho nanométrico

(incluem-se aqui cerâmica, metais, e nanopartículas de óxido de metal. Os blocos de

Nanomateriais – INCT – 4

construção podem diferir em sua estrutura atômica, orientação cristalográfica, ou

composição química. Nos casos em que os blocos de construção são cristalitos,

interfaces incoerentes ou coerente podem ser formadas entre eles, dependendo da

estrutura atómica, orientação cristalográfica e a composição química das cristalios

adjacentes. Essa estrutura inerentemente heterogêneo em escala nanométrica é muito

diferente dos vidros ou géis, gerando propriedades incrivelmente diferentes [4].

Exemplos:

i) Alguns pesquisadores (Sandia National Laboratories) tem sintetizado matérias

nanocristalinos (inorgânicos) com estruturas semelhantes às de estruturas

biológicas (Figura 2). Pode-se obter uma forma de molusco (2-a e 2-b) de

nanocristais de ZnO, ou mesmo uma forma de diatomácea com nanocristais de

sílica (2-c). Esses materiais já foram testados para aplicações em fotocatálise e

como sensores químicos. Entretanto, como o funcionamento das estruturas

bioquímicas são muito complexas, as propriedades destes “biominerais” ainda

estão sendo estudadas.

Figura-2: a) Molusco ; b) Nanocristalitos de ZnO sintetico ; c) Diatomácea; e

de d – h) são nanocristais de silica sintetica. A morfologia depende das

condições de crescimentos dos cristalitos. [http://www.sandia.gov/news-

center/news-releases/2003/mat-chem/nanocrystals.html]

Nanomateriais – INCT – 5

ii) Nanopartículas metálicas estão emergindo como materiais essenciais para

a catálise e dispositivos para sensores e espectroscopia. Nesse tipo de

aplicação o controle da forma é essencial para se obter funcionalidade e

seletividade das partículas. Os nanocristais possuem as superfícies e

morfologias bem definidas, isso porque a sua nucleação e crescimento são

controlados em nível atômico [5].

Síntese de nanocristais metálicos com diferentes tamanhos e formas

abriu novos horizontes para as aplicações tecnológicas. Isso porque

observou-se que as propriedades físicas e químicas das nanopartículas

também estão relacionados com a sua morfologia, a qual pode ser

controlada no processo de sintese. O arranjo dos nanocristais em

diferentes formatos é um passo importante em direção à concepção de

nanodispositivos. Por exemplo, nanopartículas de FePt tem sido

amplamente estudadas por causa de seu grande potencial de aplicação

como materiais magnéticos. Avanços recentes tem sido alcançados nas

técnicas de síntese química para a preparação de nanopartículas de FePt

com diferentes formatos como mostra a figura-3.

Figura-3 – Imagem de microscopia de transmissão de nanopartículas de FePt com

várias formas: A-nanofibras; B- nanobstões; C- nanopartículas ovais; E- nanocubos;

F-nanolaminas.

Nanomateriais – INCT – 6

2- Silsesquioxanos

Os silsesquioxanos são estruturas basicamente formadas por ligações Si-O-Si, de

fórmula empírica (RSiO1,5)n onde o grupo radical R pode ser um halogênio, -OH, -OR

(alcóxido), ou OAc (acetóxido).

Quando n = 4, 6, 8, 10, 12 , etc., são chamados de poliedrooligosilsesquioxano

Quando n = numero indefinido são chamados de polisilsesquioxanos;

Onde X = Hidrogênio, radical orgânico, Halogênio, etc.;

Figura 4 - Silicatos que apresentam com formula mínima (XSiO1,5)n;

Os silsesquioxanos poliédricos representam uma grande classe de organosilicatos

oligoméricos tridimensionais com um considerável interesse teórico e prático. Estes são

grupos de esqueleto poliédricos silício-oxigênio contendo intermitentes siloxanos em

caixa/gaiola (“cage”) com grupos orgânicos ou inorgânicos ligados aos átomos de

silício. Os termos “em caixa” ou “gaiola” (cage) utilizados, indicam que estes silicatos

podem apresentar também outras estruturas diferentes relatadas na literatura como

aleatório, escada, caixa ou caixa aberta [6] conforme Figura 4.

Nanomateriais – INCT – 7

Figura-5 – POLIEDROOLIGOSILSESQUIOXANOS

O principal interesse nestes nanomateriais é que grupos orgânicos ( R ) podem se ligar

às suas extremidades formando um tipo de dendrimero. Estes inorgânico-orgânicos

híbridos oferecem um conjunto único de propriedades físicas e químicas, as quais não

são observadas para uma cerâmica ou polímeros orgânicos sozinho. Muitos destes

materiais silsesquioxano híbridos também exibem uma melhoria em propriedades, tais

como a solubilidade, a estabilidade térmica e termomecânica, resistência mecânica, a

transparência óptica, permeabilidade ao gás, constante dieléctrica, e retardante de fogo

[7].

3- Nanomateriais de Carbono

Durante muito tempo o carbono era principalmente relacionado às estruturas do

diamante e do grafite, até que em 1985 foi comprovada a existência da molécula de

fulereno C60 que possui uma estrutura fechada semelhante à de uma bola de futebol,

como pode ser visto na Figura 1.2(a) [8]. A molécula de C60 é formada por 12

pentágonos e 20 hexágonos, e pertence ao grupo de simetria do icosaedro (Ih). Os

fulerenos são compostos contendo carbonos hibridizados sp2, porém, não de uma forma

linear como no grafite, mas sim de uma forma distorcida, de maneira que os diversos

carbonos se inclinem sobre si mesmos e formem uma superfície fechada, ao contrário da

superfície aberta do grafite [9]. Estas estruturas foram os precursores dos nanotubos de

carbono, que podem ser definidos como sendo um fulereno alongado em uma direção

axial ou como uma folha de grafite enrolada e fechada nas extremidades por hemisférios

Nanomateriais – INCT – 8

de fulerenos (Figura 1.2(b)) [9]. Mais recentemente a folha do grafite, denominada de

grafeno, tem sido objeto de estudo em nanotecnologia ( figura 1-c) .

Figura 6 - Alótropos de carbono, molécula de Fulereno , nanotubos de carbono ,

nanofitas de grafeno .

Nanotubos de Carbono

Os nanotubos de carbono foram observados pela primeira vez em 1991 na forma de

nanotubos de paredes múltiplas - MWCNT (do inglês, Multi-wall carbon nanotubes)

[10]. Os MWCNT são formados por múltiplas camadas de folhas de grafeno enroladas

em forma de cilindros concêntricos, como mostram as figuras 7 e 8.

Nanomateriais – INCT – 9

Figura 7- (a) Nanotubos de carbono de paredes múltiplas com duas camadas –

DWCNT (do inglês, Double-wall carbon nanotubes) (b) SWCNT e (c) MWCNT.

Figura-8 – Micrografia de nanotubos de multicamadas ( MWCNT) e de uma camada

(SWCNT) obtidas em um microscópio de transmissão.

(c)

Nanomateriais – INCT – 10

Figura- 9 – esquema da formação d eum SWCNT

Aproximadamente dois anos depois, Iijima e Ichihashi publicaram “Single-shell carbon

nanotubes of 1-nm diameter” demonstrando a síntese de nanotubos de carbono de

camada simples – SWNT (do inglês, single-wall carbon nanotubes) [11], figura-9.

Donald Bethune, independentemente, também apresentou resultados semelhantes na

mesma época [12]. Na Figura 8 são mostrados micrografias de nanotubos de carbono

nas formas SWCNT e MWCNT.

Atualmente os nanotubos de carbono são obtidos por diferentes técnicas. O método

ablação por laser (do inglês. laser ablation) é uma das principais técnicas de síntese de

nanotubos de carbono e consiste em vaporizar o grafite mediante radiação laser numa

atmosfera de gás inerte, hélio ou argônio de alta densidade [13].

O método de descarga por arco elétrico ( veja figura -10 ) é outra técnica utilizada,

baseia-se numa descarga de arco elétrico, gerado entre dois eletrodos numa atmosfera

de hélio ou argônio, usando metais catalisadores, podendo-se obter os SWCNT, ou sem

a presença destes obtendo-se MWCNT.

Outro método importante é a deposição química por vapor – CVD (do inglês, Chemical

vapor deposition) que permite obter nanotubos de carbono (MWCNT e SWCNT) de

diversas formas e sobre diferentes substratos. É o método mais barato, comparado com

o método de deposição arco e vaporização laser [13].

Nanomateriais – INCT – 11

Figura-10 Sistema de arco elétrico para produção de nanotubos de carbono

Os nanotubos de carbono possuem inúmeras aplicações, nas áreas das

engenharias, medicina e ambiental.

Figura-11 – Aplicações dos MWCNT e SWCNT

Nanomateriais – INCT – 12

4- PONTOS QUÂNTICOS (“QUANTUM DOTS”)

Pontos quânticos ("quantum dots") são nanopartículas de um material semicondutor,

tradicionalmente os selenetos ou sulfuretos de metais como o cádmio ou zinco (ZnS

CdSe), que variam de 2 a 10 nanômetros de diâmetro (sobre o largura de 50 átomos).

Devido ao seu pequeno tamanho, os pontos quânticos podem exibir propriedades oticas

e elétricas únicas, que não são observadas nas partículas macroscópicas. Estas

nanopartículas ao serem excitadas podem emitir radiação na faixa do visível. Além

disso, o comprimento de onda de emissão dos fótons varia com o seu tamanho. Quanto

menor a partícula, mais próxima é a emissão para a extremidade azul do espectro, e

quanto maior, o mais perto do vermelho. Os pontos podem ser sintonizados para além

da luz visível, no infra-vermelho ou no ultra-violeta. As minúsculas dimensões dos

"quantum dots", muito menores do que o comprimento de onda da luz visível,

eliminam toda a luz difusa e as perdas óticas associadas com essa difusão. Ou seja,

os pontos quânticos representam um enfoque novo para produção de dispositivos

óticos de alta eficiencia.

Figura- 12- As suspensões de pontos quânticos fluorescentes de CdSe (QDs) ;

diâmetros variando do azul (~2,0 nm), até vermelho (4,2 nm ).

http://nanoe.ece.drexel.edu/wiki/index.php/Quantum_Dot_Challenge)

Nanomateriais – INCT – 13

Como podemos trabalhar em nanoescala?

Mas como os pesquisadores conseguem produzir materiais com tamnhos tão pequenos?

Claro que não é possivel manipular com os dedos as nanoestruturas e nem mesmo

observa-las ao olho nu. Então os cientístas desenvolveram ferramentas que nos ajudam

a trabalhar com estes materiais. Alguns desses são os chamados MICROSCÓPIOS DE

FORÇA ATÔMICA (AFM), MICROSCÓPIOS DE VARREDURA POR SONDA

(SPMS), e MICROSCÓPIO DE TUNELAMENTO (STM). Com estes equipamentos

podemos observar e manipular as nanoestruturas, obtendo dessa forma estes incríveis

materiais.

Referencias bibliográficas

1- Ratner, Mark and Daniel Ratner. Nanotechnology: A Gentle Introduction to

the Next Big Idea. Upper Saddle River, NH: Prentice Hall, 2003.

2- Nanotechnology: Small science, big deal: Este é um website interativo do

museu de ciência de Londres (UK Science Museum) que mostra como a

nanotecnologia esta mudando nossa vida.

3- Aldo J. G. Zarbin. Quim. Nova, 30-6, (2007) 1469-1479.

4- C. B. Murray; Shouheng Sun; W. Gaschler; H. Doyle; T. A. Betley; C. R.

KaganI. BM J. RES. & DEV, 45:1, (2001).

5- Narayan Poudyal, Girija S. Chaubey, Chuan-bing Rong, and J. Ping Liu.

JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, doi: 10.1063/1.3077210

6- Revista Matéria, 10-2, (2005) 338 – 349.

http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10653

7- https://facultystaff.richmond.edu/~cparish/resrch.htm;

http://www.grin.com/en/doc/266469/dispersion-states-and-surface-

characteristics-of-physically-blended-polyhedral e

http://bowers.chem.ucsb.edu/research/materials/poss/pma/index.shtml

(acessados em março de 2012)

8- S. Iijima, Nature 354, 56 (1991)

9- S. Iijima e T. Ichihashi, Nature 363, 603 (1993)

10- D.S. Bethune et. al. Nature 363, 605 (1993)

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11- A. Thess et. al. Science 273, 483 (1996)].

12- R. Saito, G. Dresselhaus e M. S. Dresselhaus, Physical Properties of

Carbono Nanotubes. Imperial College Press, London (1998)].

13- W. Kratschmer, L.D. Lamb, K. Fostiropoulos e D.R. Huffman, Nature

(London),347, 354 (1990).

Sugestões de temas para pesquisa

Apresentamos abaixo algumas sugestões de pesquisa para os estudantes.

1- Equipamentos utilizados para manipular nanoestruturas

a. Como funcionam? Tente descrever de forma sintética o funcionamento

de MICROSCÓPIOS DE FORÇA ATÔMICA (AFM), ou

MICROSCÓPIOS DE VARREDURA POR SONDA (SPMS), ou

MICROSCÓPIO DE TUNELAMENTO (STM).

b. De exemplos de aplicações.

2- Pontos Quânticos ( quantum dots) :

a. Quais os mais estudados e como são preparados?

b. Quais grupos no Brasil e no mundo investigam estes nanomateriais?

c. Qual a importância tecnológica destes materiais?

3- Nanotubos de carbono

a. Investigue onde estes materiais estão sendo aplicados. Porque estes

materiais tem sido tão estudados?

b. Qual o impacto destes nanomaterias no meio ambiente?

c. Quais os principais grupos de pesquisa no Brasil e no mundo? O que

tem sido feito?

4- Nanocristalitos

a. Procure exemplos destes materiais. Articule a discussão de forma a

incluir desde sua síntese até as possíveis aplicações tecnológicas do

material.