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Nanomateriais de carbono e suas incríveis propriedades

03/02/2017Prof. Dr. Guilherme F. B. Lenz e Silva; BSc, CSP, MBA, PhDEscola Politécnica da Universidade de São Paulo

Sumário da Apresentação

• O Carbono

• A Nanotecnologia

• O Carbono e a nanotecnologia

• Nanocarbonos em um universo em mutação

• Agradecimentos

Carbono

• Material sólido a temperatura ambiente;

• Constituinte em toda a matéria orgânica;

• Série de alotrópicos (diamante, fulerenos, nanotubos, grafeno, etc.) além de apresentar-se na forma vítrea e semi-cristalina;

• 18% em peso do corpo humano é constituído de carbono

• Um dos mais versáteis de todos os elementos e forma mais compostos que qualquer outro elemento ...

Grafita

Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva; Ing. CSP, MBA , DSc. / LM2C2 – PMT/POLI-USP – Campus Party® / 2017

Carbono e o Meio Ambiente

Ciclo do Carbono

Fonte: library.thinkquest.org/11226/image/ccycle.jpg

Fonte: earthobservatory.nasa.gov/.../carbon_cycle4.html

Fotossíntese e processos de decomposição

Intervenções antropológicas, Equilíbrios aquáticos eReservatórios de combustíveisFósseis.

Aula interativa: https://www.koshland-science-museum.org/explore-the-science/earth-lab

O Carbono: História e Evolução Tecnológica

• Origem do nome: do Latim a palavra "carbo" significa "charcoal“ ou carvão vegetal. É conhecido desde a Pré-História …

Pintura Pré-Histórica (Norte da Espanha, 15.000 BC)

Carbono&

Método de produção de carvão vegetal; esquerda: Aspecto de uma fundição medieval que utilizava carvão vegetal para a produção de ferro.

Fonte: The Pyrotechnia, VANNOCCIO BIRINGUCCIO; Edição de 1540 [1].

Carbono&

O Carbono: ... Idade Média

Pintura (óleo sobre tela) do primeiro alto-forno a coque – DarbyHouse (complexo de museus de Iron Bridge Gorge/UK). Abraham Darby I,

10 de Janeiro de 1709

Carbono(Carvão mineral)

& A revolução Industrial Inglesa

O Carbono: .. . Pré-Revolução Industrial Inglesa (1760~1840)

Os dois primeiros compostos alotrópicos: grafita e o diamante

John Dalton. 1808; (Symbol of Carbon)New System of Chemical Philosophy.

Evolução dos modelos atômicos

Cristal natural de diamante, incrustrado em uma matriz de kimberlito, fonte: http://www.mineralminers.com/html/diamins.stm

Antoine-Laurent Lavoisier, nomeou o elemento Carbone ( C )

Em 1722 René Reaumur publicou suas ideias a respeito de o carbono ser um novo elemento químico.

Carbono&

Filosofia“Na natureza nada se cria,

nada se perde ... Tudo se transforma !

Diamante: 1.200 BC (textos em Hindu), sendo que a origem do nome diamante é derivada da palavra Grega “adamas” que significa invencível.

http://marvel.com/characters/66/wolverine

http://www.slashfilm.com/new-logan-photo-effectively-shows-why-the-wolverine-sequel-will-be-r-rated/

Emma Frost

January Jones

X-man: First Class

X-man: Origins (2009)

Tahyna Tozzi

Carbono(diamante)

& Marvel !

19a em abundância na crosta terrestre (0,2%), presente também na atmosfera na forma de dióxido de carbono (CO2 - 0,03% em volume).

Fontes:

-Carbonatos (dolomita – CaMgCO3, calcário – CaCO3), corais e carapaças marinhas;

-Conversão da biomassa: carvão vegetal;

-Hidrocarbonetos: Petróleo, xisto, gás natural e hidrato de carbono;

-Grafita, carvão mineral (hulha, linhito, antracito, turfa);

-Gases e compostos inorgânicos: HCN, CO, CO2, H2CO3, etc.Calcita

Carvão vegetal

Hidrato de carbono

Antracito

Abundância:

Carbono&

Onipresente !

Composição Química Típica das Principais Fontes de Carbono.

Carbono

Evolução Tecnológica

Negro de fumo (lump black) / escrita

Carvão (pólvora negra, medicina e desodorantes)

Grafite natural (material para escrita)

Carvão ativado

Negro de fumo

Coque (coal-tar-pitch)

Coque delamelado (delayed coking)

Grafte sintético e diamante

Fibras de carbono (PAN)

Fibras de carbono (piche)

Fibras de carbono (microporosas)

Compósitos (carbono-resina)

Carbono ativado (especiais)

Suporte catalítico

Antes de 1880

Filamentos e wiskers de carbono

Próteses

Compostos intercalados

Refratários (grafite-óxido)

Carbono pirolítico

Carbono vítreo

Micro-meso esferas de carbono

Filmes de diamante

Filmes (“diamond-like films”)

Carbono elástico

Fulerenos (C60, …)

Nanotubos (SWNT, DWNT, MWNT)

“Nanoroads”

Grafeno sintético

1880 - 1940

Após 1940

Fonte: Introduction of carbon technologiesMarsh, Heintz and Reinoso, 1997Fonte: http://www.caer.uky.edu/carbon/history/carbonhistory.shtml

Importância

CarbonoFonte: http://www.centercarbon.com

Compósitos:C-C (carbon-carbon composites)C-M-C (carbon matrix composites)C/G-M (carbon/graphite metal composites)G-O (graphite - oxide refractories)C-Me-Cd (carbon/metal/carbide composites), etc.

Formas & aloptropia …

- Grafite

- Fibras de carbono

- Carbono amorfo

- Carbono ativado

- Diamante (sintético/natural)

- Fulerenos/nanotubos, etc.

Aplicações:- Metalurgia (ferro, aço e alumínio)- Indústria Nuclear- Indústria automotiva- Meio ambiente- Química, pláticos e catálise- Indústria aeroespacial- Indústria de refratários- etc.

Mercado: € 30 bilhões / ano(excluíndo coque metalúrgico)

Aplicações:

Tratamento de água;Indústria farmacêutica;Petróleo e gás;Mineração recuperação de ouro;Condensadores de vapores;Remoção de mercúrio;Remoção de vapores contaminantes (filtros);Destilação e purificação de álcoois;Filtração (indústria de alimentos)Remoção de colorantesCatálise e suporte para metais nobresUltra filtração de processo de osmose reversas, etc...

Fibras de Carbono

Micrografia (elétrons secundários) de uma fibra de carbono de alta resistência, com diâmetro de 7 micrômetros – Fornecedor: Toray/França – Microscópio eletrônico de varredura, modelo JEOL 6400-F.

http://www.sgl-kuempers.com/cms/international/products/multiaxial-fabrics/index.html?__locale=en

Lamborghini – sesto elemento

Parceria: Lamborghini & Boeing

Custo: 2,2 milhões US$(2º modelo mais caro da história)

Evolução da tecnologia comercial (EUA) de produção de energia eólica e compósitos de alta tecnologia

Negro de fumoPrincipais Aplicações: - Pigmentos- Reforço estrutural em

produtos de borracha;- Refratários;- Compostos com

características de descarga eletrostática (embalagens);

- Toners e impressoras.

Negro de Fumo

ConcarbCanadá

Negro de fumo

- 70% do total produzido aplicado em pneumáticos;

- Imprescindível na resistência à abrasão;

- Até 16 tipos de negro de fumo em um único pneu.

Aplicações: - Pigmentos- Reforço estrutural

Carbono(negro de fumo)

& Alto desempenho nas pistas !

Descarte de pneus&

Poluição

Diamantes Industriais e Naturais

• Mercado de diamantes naturais: Estimado de US$9 a 13 bilhões/ano.

• Gemas e joalheria: 30%

• Industrial: 70% ( corte, perfuração, polimento.

65%- Angola;- Austrália;- Botswana;- Canadá;- Congo;- Namíbia;- Rússia;- África do Sul.

Mineração:- Mineração a

céu aberto- - Mineração

subterrânea- Mineração

marinha.

Atributos:- Cor;- Tamanho;- Qualidade;- Forma.

Centros de corte e comércio:- Antwerp;- Mumbai;- Tel Aviv;- New York;- China;- Thailand;- Johannesburg.

Vendas:- USA (50%);- Japão (15%);- Itália (5%);- India (3%);- China (2%);- Golfo Persa (2%);- Outros (23%).

Os diamantes são eternos!

CS Synthetic Diamond Hydraulic Press

Diagrama de fase do carbono

Diamantes Sintéticos

Atualmente, há 2 grandes rotas de produção de diamantes sintéticos, a primeira descoberta em 1955 pela empresa americana GE Corporation e a segunda via CVD (Chemical Vapour Deposition), sendo produzidos anualmente 100 milhões de quilates de diamantes com grau industrial.

High Pressure High Temperature (HPHT)

Tratamentos & Mudança de Coloração

Nanotecnologia

Água Glicose Anticorpo Vírus Bactéria Célula Bola de com câncer Ponto tênis

Nano escala

Nanotecnologia:

É um campo multidisciplinar onde os materiais possuem pelo menos uma dimensão menor que 100 nm (10-9m).

Definição (BSI): PAS 71:2005 – Vocabulary nanoparticles

- Nanomaterial: material com uma ou mais dimensões externas, oucom estrutura interna baseada na nanoescala, que pode exibirnovas características em comparação com o mesmo material semdimensões nanométricas.

- Nanoescala: O que possui uma ou maisdimensões na ordem de 100 nm ou menos.

Linha do Tempo

1791-1887

Albert Einstein,Parte de seu trabalho de doutoramento,

determinou o tamanho um uma única molécula de açúcar através de cálculos de difusão do

açúcar em água (1nm)

Ouro coloidalSílica coloidal, Negro de fumo, etc…

Refração seletiva decorrenteda incorporação de nanopartículas de ouro metálico na superfície do vidro(Idade média)

http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2005/May/06-buckyballs.html

Faraday, Intuição: A Púrpura de Cassius e o ouro coloidal azul só se diferenciavam no tamanho das partículas !

Richard Feynman, Nobel Física, 1965- Discurso Caltech

Vidro com a incorporação de nanopartículas (Cu, Au) Imperador chinês Chi'en Lung (1736-96),

G. Mie (1908), explicação teóricapara o fenômeno de espalhamento da luzem meio contendo nanopartículas

“There is Plenty of Room at the Bottom.”

Top down X Bottom up

<50 nm

Diferentes tamanhos de partículas de ouro coloidal

Teoria MG (Maxwell-Garnett)

Lycurgus CupBritish Museum, 4DCAu-Ag

Wolfgang Ostwald – Química coloidal

Invenção do microscópio Eletrônico por: Max Koll eErnst Ruska, 1931

Norio Taniguchi em 1974Cunha a palavra: nanotechnology

Invenção do STM (Scanning Tunnelling Microscope)em 1981 por Gerd Binninge Heinrich Rohrer – IBM/Zurich

- Prêmio Nobel de Física 1986

CNT transistor,Catalisadores,Biosensores,Células de combustíveis,Bionanotecnologia,Computação quântica,Coatings “self-cleaning”

1995 - Coral de átomos de Ferro sobre cobre, plano (111)IBM http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/corral.html

Descoberta dos fulerenos (C60 - *) em 1985por Robert F. Curl Jr., Sir Harold Kroto e Richard E. Smalley – Laureados com o prêmino Nobel de química em 1996.

(*) Nome em homenagem ao arquiteto Buckminster Fuller),

1991 – “Re”-descoberta dos MWCNT (multi wall carbon nanotube), descritos por S. Iijima, Nature 1991 e dos SWCNT em 1993.

1986 – IBM e Stanford University, desenvolvimento do AFM (Atomic Force Microscope)

1989 – Manipulação de átomos Individuais (Xe sobre Ni (110))– IBM, por Don Eigler.

2001 – Bill Clinton, NNI (National Nanotechnology Initiative)

2005 – Brasil: Programa Nacional de Nanociência e Nanotecnologia

Invenção da Epitaxia de feixe molecular, nos laboratórios Bell, em 1968 por: Alfred Y. Choe John Arthur

O que pode acontecer quando o material possui dimensão nanométrica ?

0DDOS Densidade de estados

Nanoparticles Quantum dotsEtc…

CNT (SWCNT, DWCNT,MWCNT, etc.)

“Films”

“Bulk”

- Elevada área superficial (energia superficial);

- Efeitos quânticos;

- Interferência na estrutura da banda de energia e interferência na estrutura atômica (especialmente abaixo de 5 nm);

- Mudanças na energia total do sistema;

- Distribuição da quantidade de defeitos (lacunas e deslocações em nanocristais);

- Propriedades catalíticas e reatividade dos aglomerados;

- Propriedades óticas;

- Propriedades mecânicas; etc.

Source: K.J. Klabunde, 2001

Aglomerado Número total Átomosde átomos superficiais(%)

1 camada 13 92

2 camadas 55 76

3 camadas 147 63

4 camadas 309 52

5 camadas 561 45

6 camadas 1415 35

Termodinâmica da superfície

U(S,V,N)

dU=TdS –PdV + dN or

U=TS-PV + N, inserindo o fator associado da tensão supercial , temos:

U=TS - PV+ N + A, onde:

U – Energia interna

T – Temperatura

S – Entropia

P – Pressão

V – Volume

- Potencial químico

N – Número de moles

- Tensão superficial

A – Área superficial

Ex: A energia de rupture das ligações em um monocristal , ~1,200 erg.cm-2

Mosca (Musca domestica)Massa: 12 mgVelocidade: 7.2 km/h = 2m/s

www.speedofanimals.com

Energia Potencial (mgh) = g *massa*altura … 9,8*12x10-6 *1 = 1,176x10-7J

t1m = 0,5s

Lembrando …. 1 erg = 10 -7 J and 1 erg/s = 10-7W

http://www.nanocap.eu/Flex/Site/Download07ab.pdf?ID=2256

Vivendo com Nanopartículas …

Quarto normal Floresta Rua urbana

No Nano !

https://cordis.europa.eu/pub/nanotechnology/docs/nanologue_scenarios_en.pdf

Do laboratório/pesquisa acadêmica até o mercado ... Não haverá futuro para a nanotecnologia sem uma abordagem segura, ambientalmente correta, ética e responsável !

Os Nanomateriais de Carbono

From: http://webmineral.com

Grafita

From: http://www.cite-sciences.fr

C60, C70, C540, etc.

Esturutrado

Carbono

Lonsdaleite

Amorfo / vítreo

Nanotubos e nanofibras e

fibras de carbono

Diamante

From: http://www.nature.comFrom: http://www.musee.ensmp.fr

(Glassy Carbon Model) - From: Jenkins G. M.

and Kawamura K. - 1976)

“Carbynes

& Carbolite”

“Carbon onions” & cones

R-[-CC-]n-R

Fibras de carbono (“spinning”

From: http://www.utsi.edu/research/carbonfiber

/UTSI-CF.htm

http://news.bbc.co.uk/science

Grafeno

http://www.staff.uni-mainz.de/banhart/c-nanostructures/onions.htm

http://www.phy.mtu.edu/~jaszczak/graphite.html

Morfologia superficial – MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura)

SEM – JEOL 6400 / Sorby Centre – University of Sheffield

FG - Brazilian flake graphite ( N. Grafite)

SP – Solid pitch (Carbores-P / Rutgers)

CB – Carbon black (Concarb)

CNT – Multiwalled carbon nanotubes (Sigma – Aldrich)

TG – Treated graphite (BSP 80)

Fulerenos

Buckminster Fuller, Ford rotonde du dôme, 1953

Reações Típicas dos Fulerenos

Multifunctional molecular carbon materials—from fullerenes to carbon nanotubesDirk M. Guldi, G. M. Aminur Rahman, Vito Sgobba and Christian Ehli

• Funcionalização

redox-active metal conjugates

Covalently linked H2P-SWNT

nanoconjugate

Nanotubos de carbono

(multiwall)

Nanotubos e Nanofibras de Carbono

Nanofibras x Nanotubos

Iijima

Descoberto por L. V. Radushkevich e V. M. Lukyanovich em1952 (Journal of Physical Chemistry, 62:88-95), sendoobservados Endo, Koyama andOberlin em 1976 e descritopor Iijima em 1991.

Nanofibras: descobertas em 1889, patente americana número: 450 e 480, por Hughes e Chambers.

J. Cryst. Grow. 32（1976）335-349A. Oberlin,M. Endo, e A. T. Koyama

Morinobu Endo

Animation courtesy H. Nakahara and Saito Lab

M. Endo, Ph.D. Thesis (1975)

Armchair: n = m

Zigzag: (n,0)

Chiral: (n,m) m0

Scanning electron micrographs (SEMs) of a SWNT ribbon (scale bar = 667 nm)

(a) and a SWNT fiber (scale bar = 25 μm) (b) each showing the alignment ofthe SWNTs within the structure.(c) An optical micrograph of a SWNT fiber tied ina knot showing the high flexibility and resistance to torsion (fiber diameter = 15 μm).(From B. Vigolo, A. Pénicaud, C. Coulon, C. Sauder, R. Pailler, C. Journet, P. Bernier, and P. Poulin. Macroscopic fibers and ribbons of oriented carbon nanotubes, Science, 290, 1331–1334, 2000.

M. Endo, K. Takeuchi, K. Kobori, K. Takahashi, H. W .Kroto and A.Sarkar, Carbon, 33, 873-881 (1995).

Síntese

• Infinidade de métodos:

• - CVD

• - Combustão catalítica

• - Ablação laser

• - Plasma

• - ...

CVD – Chemical Vapour Deposition

AtmosferaGradiente térmico (temperatura)

CatalisadoresFonte de carbono

Catalisador

“Volcano curve”: Mostra a correlação entre o catalisador e a ligação CO(g) - (reação de Fisher-Tropsch)

Surface Chemistry – by: Elaine M. McCash

Catalisadores ...

Purificação !!!

SE – 10 kx

SE image of catalyst particles and CNTs

In-situ : Chemical Vapour DEPOSITION

SE – 30 kx

SE – 100 kx

Ar + C2H2 +H2 Outgas

Heating

SE image of a MgO grain coated with catalyst

Guilherme Lenz (Pos-doc Program) & Rafael Sá, PhD Thesis (IC London)

In-situ formation: Chemical Vapour INFILTRATION

PulsatingVacuumpump

Heating

Low pressureHigh pressureHigh/Low pressurecycling

Vacuum pump

N2(liq) Gas trap

Exhaust

Solenoid valve with ON/OFF timer

Gas flow control

Furnace

Leak detector

In-situ formation: Chemical Vapour INFILTRATION

Length:3.4μm

Diameter:343nm

Substratos a “sandwich”

Comportamento Térmico: oxidação em elevadas temperaturas

TGA & DTA analysis – Perkin Elmer Pyris1 – University of SheffieldTemperatura (oC)

Massa (g)

TGA (air) – 40 to 1000 oC

Remark:CNT – Multi wall

Funcionalização:

Organic functionalisation and characterisation of single-walled carbon nanotubes - Prabhpreet Singha, StéphaneCampidellibc, Silvia Giordanibd, Davide Bonifazibe, Alberto Biancoa and Maurizio Prato*b

Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 2214-2230

Mais de 35 exemplos ...

Aplicações de Nanotubos de Carbono

Transparent RFIDs (*)with CNT networks

(*) Radio FrequencyIdentification

- Armazenamento de energia- Armazenamento de hidrogênio- Sensores

Ex-situ: Nanotubos de Carbono em Resinas

CNTs dispersed in binder matrix coating MgO grains

CNTs in binder

MgO grain coated in CNTs dispersed in the binder

Processamento: fios

Propriedades mecânicas de alguns materiais

Aço: 0,2 a 2 GpaTeia de aranha: 1 Gpa ( uma variedade, informação: https://phys.org/news/2013-06-spider-silk-nature-stronger-steel.html)

Fios de nanotubos de carbono: 1,3 GPaNanotubos de carbono (parede simples, com defeitos helicoidais): 30-45 GPa , (http://www.nature.com/articles/srep20324 )

https://i.ytimg.com/vi/AyYH0LNW8yo/hqdefault.jpghttps://phys.org/news/2013-01-nanotube-fibers-unmatched-combination-strength.html

Limite de resistência: real (experimental) versus teórico (simulado)

http://www.nature.com/articles/srep20324/figures/3http://www.nature.com/articles/srep20324/figures/2

(2106)

MV - monolacuna;STW - Stone-Thrower-Wale defeitos(criados dutante o processamento)PR - “Pristine” (sem defeitos)

Grafeno

A. K. Geim & K. S. Novoselov. The rise of graphene. Nature Materials Vol 6 183-191 (March 2007)

FulerenosNanotubos

Grafite

Grafeno

Estabilidade do grafeno 2D? ... ... Curvatura !

• Setas (vermelho): dimensão ~800 nm

http://www.nature.com/nmat/journal/v6/n11/fig_tab/nmat2011_F1.html#figure-title

A) Microscopia de força atômica

B) Microscopia de transmissão

C) Microscopia eletrônica

A. K. Geim & K. S. Novoselov. The rise of graphene. Nature Materials Vol 6 183-191 (March 2007)

Síntese do Grafeno

1) Exfoliação mecânica2) Exfoliação química3) CVD (sobre cobre)4) Remoção do silício do carbeto de silício

Fan, X., Peng, W., Li, Y., Li, X., Wang, S., Zhang, G. and Zhang, F. (2008), Deoxygenation of Exfoliated Graphite Oxide under Alkaline Conditions: A Green Route to Graphene Preparation. Advanced Materials, 20: 4490–4493

Sais de potássio: inflamabilidade ao GO

Lerf-Klinowski model

Chem. Phys. Lett., 1998, 287, 53–56

Óxido de grafite

- Os benefícios do grafeno são provenientes de uma exclusiva gama de propriedades:

- Transparência;

- Flexibilidade;

- Resistência mecânica;

- Propriedades eletrônicas: mobilidade e condução

Aplicações:- Supercapacitores- Células solares- Bateriais

Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activationof Graphene

Science 24 June 2011: 1537-1541.DOI:10.1126/science.1200770

Baterias, Capacitores e Supercapacitores

Densidade de energiaDensidade de Potência

Anodo de carbono:400 mAh / g

Anodo de Silício:3000 mAh / g

Baterias Li-ion

Baixa durabilidade:Variação de tamanho do Si para SiLix400%

Grafenos: Acomoda a variação de tamanho

Carros Híbridos: Baterias + Supercapacitores

Indium Tin Oxide: (ITO)

Capacidade/sensibilidade ao toque ( KIST/Samsung)

Tecnologias vestíveis (wearables)

Sensores sensitivos

Vidros inteligentes

Armazenamentode energia

Compósitos estruturais

A educação muda as pessoas ...

As pessoas mudam o mundo !

A Universidade de São Paulo é pública, gratuitae o acesso se dá pelo vestibular (FUVEST) & ENEM/SISU !

http://www5.usp.br/ensino/graduacao/como-estudar-na-usp/

Strategic Decision and Risk Management Certificate Professional (Stanford University)Visiting Scholar at Brown University (LEHN / School of Engineering)Academic Visitor at Imperial College London (Department of Materials)Postdoctoral Fellow at the University of Sheffield/UK (Department of Materials Science & Engineering) PhD in Materials and Metallurgical Engineering from Escola Polytechnic (POLI/USP)MBA in Environment Technologies & Management from Polytechnic School of University of São PauloCertified Safety Professional from Federal University of Minas Gerais (UFMG)Metallurgical Engineer from Federal University of Minas Gerais (UFMG)

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