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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