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Grafeno e nanomateriais
relacionados
Jair C. C. Freitas
Departamento de Física – UFES
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Sumário
Um pouco de história sobre a “descoberta” do grafeno.
Estrutura e propriedades físicas do grafeno.
Produção de grafeno e outros materiais bidimensionais.
Aplicações (reais, potenciais e sonhos…)
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
O Prêmio Nobel de Física de 2010
Os laureados:
Andre Geim e Konstantin Novoselov
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/
“...for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene.”
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O Prêmio Nobel de Física de 2010
Os laureados:
Andre Geim
Nascimento: 1958, Sochi, Rússia.
Instituição: Universidade de Manchester.
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/
Konstantin Novoselov
Nascimento: 1974, Nizhny Tagil, Rússia.
Instituição: Universidade de Manchester.
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
O Prêmio Nobel de Física de 2010
Sobre os trabalhos de Andre Geim: levitação magnética.
http://static.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/geim-lecture-slides.pdf
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O Prêmio Nobel de Física de 2010
Sobre os trabalhos de Andre Geim: levitação magnética.
http://improbable.com/ig/winners/#ig2000
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Novoselov et al., Science 2004;306:666-669
O trabalho original de Geim & Novoselov
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Novoselov et al., Science 2004;306:666-669
O trabalho original de Geim & Novoselov
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O trabalho original de Geim & Novoselov
http://static.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/geim-lecture-slides.pdf
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O trabalho original de Geim & Novoselov
http://static.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/geim-lecture-slides.pdf
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Citações científicas sobre o grafeno
Fonte: ISI Web of Knowledge
Citações anuais em artigos científicos da palavra “graphene”:
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• Propriedades mecânicas: material mais fino possível, extremamente forte,
porém flexível, baixa densidade, alta área superficial específica.
• Propriedades térmicas: elevada condutividade térmica.
• Propriedades químicas: alta pureza, estável em condições ambientes,
quimicamente inerte, sensível à presença de moléculas adsorvidas.
• Propriedades eletrônicas: boa condutividade elétrica, portadores de carga
sem massa efetiva, elevada mobilidade intrínseca, transporte eletrônico
balístico, sensibilidade à aplicação de campos elétricos, efeito Hall quântico
em temperatura ambiente ...
• Propriedades óticas: condutor elétrico oticamente transparente.
• Propriedades magnéticas: ferromagnetismo (elétrons p) induzido por defeitos
estruturais.
Propriedades peculiares e superlativas do grafeno
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Grafeno e outras formas de carbono
Castro Neto et al., Physics World 2006;11:33-37
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Geim & Novoselov, Nature Materials 2007;6:183-191
Grafeno e outras formas de carbono
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Grafeno e outras formas de carbono
Carbono amorfo Materiais desordenados – estrutura turbostrática
Carbon blacks
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http://www.citycollegiate.com/hybridization1.htm
Estrutura do grafeno
Hibridização sp2:
Hibridização sp3:;
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Grafite: Hibridização sp2
Estrutura hexagonal
Anisotropia (planos grafenos)
Diamante: Hibridização sp3
Estrutura cúbica (fcc)
Isotrópico
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Estrutura do grafeno
Hibridização sp2:
2 2
2 2 2
2
2
2
4
1
23 2
1 2
33
1 1 1
3 6 2
1 1 1
3 6 2
x
x y
x y
z
s p
s p p
s p p
p
Funções de onda dos orbitais híbridos:
http://www.asbury.com/Table/Introduction-to-Graphite/
Orbitais
Orbital
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Estrutura do grafeno
http://www.asbury.com/Table/Introduction-to-Graphite/
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Estrutura do grafeno – bandas de energia
1( )
1( )(
( )
)
A
B
ik r
A
A
B ik r
A
B
k
Bk
e r rN
e r r
r
rN
Funções de Bloch construídas a partir dos orbitais atômicos:
http://www.asbury.com/Table/Introduction-to-Graphite/
24 zp Orbital
Castro Neto et al., Rev. Mod. Phys. 2009;81:109-162
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Estrutura do grafeno – bandas de energia
Castro Neto et al., Rev. Mod. Phys. 2009;81:109-162
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Estrutura do grafeno – bandas de energia
Soluções para as bandas de energia:
Geim & MacDonald, Phys. Today 2007;60:35-40
Cones de Dirac:
0
3
2( )q a q
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Estrutura do grafeno – bandas de energia
http://math.ucr.edu/home/baez/week277.html
Cones de Dirac – relação de dispersão linear:
0
6v 3 / 10 /2 1F m sa
0
3
2( )q a q
1v ( )q q
v0,003F
c
Elétrons (e buracos) no grafeno (quase-partículas):
• Férmions sem massa.
• Comportamento quântico-relativístico – Equação de Dirac.
• Velocidade efetiva não relativística.
Velocidade de Fermi:
v vF Fq p
E ck cp Fótons:
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Estrutura do grafeno – bandas de energia
Comportamento quântico-relativístico dos elétrons no grafeno:
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Estrutura do grafeno – bandas de energia
Comportamento quântico-relativístico dos elétrons no grafeno:
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Propriedades eletrônicas do grafeno
Comportamento ambipolar:
Geim & Novoselov, Nature Materials 2007;6:183-191
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Comportamento quântico-relativístico dos elétrons no grafeno:
Novoselov et al., Nature 2005;438:197-200
Propriedades eletrônicas do grafeno
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Propriedades óticas do grafeno
Obtenção da constante de estrutura fina:
Nair et al., Science 2008;320:1308
2
2,3 %e
c
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Propriedades óticas do grafeno
Nair et al., Science 2008;320:1308
http://www.iop.org/resources/videos/conference-videos/cmmp/page_45044.html
Obtenção da constante de estrutura fina:
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Produção de grafeno
Castro Neto et al., Physics World 2006;19:33
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Produção de grafeno
A técnica da fita adesiva (“Scotch tape”):
http://static.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/geim-lecture-slides.pdf
http://www.youtube.com/watch?v=rphiCdR68TE&feature=player_embedded#at=16
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Novoselov et al., Science 2004;306:666-669
A técnica da fita adesiva (“Scotch tape”):
Produção de grafeno
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
http://static.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/novoselov-lecture-slides.pdf
Produção de grafeno
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Produção de grafeno
Caracterização de grafeno – número de camadas:
Allen et al., Chem. Rev. 2010;110:132
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Ferrari et al., Nanoscale 2015;7:4598
Produção de grafeno
Caracterização de grafeno – número de camadas:
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Produção de grafeno
Zhong et al., Mater. Today 2014;18:73
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Ferrari et al., Nanoscale 2015;7:4598
Produção de grafeno
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Produção de grafeno – esfoliação química
Dimiev & Tour, ACS Nano 2014;8:3060
Síntese de óxido de grafeno:
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Gao et al., Nature Chem. 2009;1:403-408
RMN de 13C:
Óxido de grafeno
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Freitas et al., Carbon 2016;98:496
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Gao et al., Nature Chem. 2009;1:403-408
Produção de grafeno – redução do óxido de grafeno:
Óxido de grafeno
Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Terrones et al., ACS Nano 2014;8:5959
Fibras de óxido de grafeno:
Óxido de grafeno
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Produção de grafeno – esfoliação química
Esfoliação em fase líquida:
Ciesielski & Samori, Chem. Soc. Rev. 2014;43:381
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Produção de grafeno – esfoliação química
Esfoliação em fase líquida:
Coleman et al., Nanoscale 2014;6:11810
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Produção de grafeno
Deposição química em fase vapor (CVD):
Allen et al., Chem. Rev. 2010;110:132
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Produção de grafeno
Deposição química em fase vapor (CVD):
Zhang et al., Accounts Chem. Res. 2013;10:2329
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
http://static.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/novoselov-lecture-slides.pdf
Produção de grafeno
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Produção de grafeno
https://graphene-supermarket.com/
Produção comercial:
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http://grapheneindustries.com
Produção de grafeno
Produção comercial:
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http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20110125/189014/ http://www.technologyreview.com/computing/25633/?a=f
Novos produtos:
Produção de grafeno
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http://static.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/novoselov-lecture-slides.pdf
Outros materiais bidimensionais
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Novoselov et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 2005;102:10451
Outros materiais bidimensionais
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Geim & Grigorieva, Nature 2013;499:419
Exemplos de materiais 2D:
Outros materiais bidimensionais
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Coleman et al., Adv. Mater. 2011;23:3944
Esfoliação em fase líquida:
Outros materiais bidimensionais
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Outros materiais bidimensionais
Koski & Cui, ACS Nano 2013;7:3739
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Outros materiais bidimensionais
Liu et al., ACS Nano 2014;8:4033
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Liu et al., ACS Nano 2014;8:4033
Outros materiais bidimensionais
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Liu et al., ACS Nano 2014;8:4033
Outros materiais bidimensionais
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Geim & Grigorieva, Nature 2013;499:419
Heteroestruturas construídas a partir de materiais 2D:
Outros materiais bidimensionais
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Geim & Grigorieva, Nature 2013;499:419
Heteroestruturas construídas a partir de materiais 2D:
Outros materiais bidimensionais
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Aplicações do grafeno
Ferrari et al., Nanoscale 2015;7:4598
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Joshi et al., Science 2014;343:752
Aplicações de grafeno e materiais relacionados
Tratamento de água:
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Abraham et al., Nature Nanotechonology 2017;12:546-550
Aplicações de grafeno e materiais relacionados
Tratamento de água:
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Abraham et al., Nature Nanotechonology 2017;12:546-550
Aplicações de grafeno e materiais relacionados
Tratamento de água:
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
http://www.publico.pt/ciencia/noticia/cha-de-grafeno-extrai-metais-pesados-da-agua-1702039
Aplicações de grafeno e materiais relacionados
“Parecido com pacotinhos de chá, um novo
produto desenvolvido por uma equipa de
investigadores da Universidade de Aveiro (UA),
que contém óxido de grafeno, é capaz de
descontaminar água com metais tóxicos como o
mercúrio.
Os estudos demonstraram que, com apenas dez
miligramas de óxido de grafeno por cada litro de
água, contaminado com 50 microgramas de
mercúrio, foi possível remover, ao fim de 24 horas,
cerca de 95% desse metal perigoso para o
sistema nervoso central.”
Gonçalves et al., Graphene Week 2015
Tratamento de água:
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Aplicações de grafeno e materiais relacionados
Detecção de compostos por adsorção:
Allen et al., Chem. Rev. 2010;110:132
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Aplicações do grafeno
Randviir et al., Mater. Today 2014;17:426
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Aplicações do grafeno
Ferrari et al., Nanoscale 2015;7:4598
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
http://www.materialstoday.com/view/8249/the-carbon-new-age/
Aplicações do grafeno
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
http://www.graphene3dlab.com/
Aplicações do grafeno
Impressão 3D:
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
http://www.graphene3dlab.com/
Aplicações do grafeno
Impressão 3D:
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
http://www.graphene3dlab.com/
Aplicações do grafeno
Impressão 3D:
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
http://www.graphene3dlab.com/
Aplicações do grafeno
Impressão 3D:
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Artigos de revisão - gerais:
“Rabiscando a eletrônica com o grafeno”, A. Fazio, T. B. Martins, A. J. R. da Silva.
Ciência Hoje 2009;43:36-41.
“The rise of graphene”, A. K. Geim, K. S. Novoselov. Nature Materials 2007;6:183-191.
“Graphene: exploring the carbon flatland”, A. K. Geim, A. H. MacDonald. Physics
Today 2007;60:35.
“Drawing conclusions from graphene”, A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. Peres.
Physics World 2006;19:33-37.
“A decade of graphene research: production, applications and outlook”, E. P.
Randviir, D. A. C. Brownson, C. E. Banks. Mater. Today 2014;17:426-432.
“Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and
hybrid systems”, A. Ferrari et al. Nanoscale 2015;7:4598-4810.
Bibliografia recomendada
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Bibliografia recomendada
Artigos de revisão - específicos:
“The electronic properties of graphene”, A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres,
K. S. Novoselov, A. K. Geim. Rev. Mod. Phys. 2009;81:109-162.
“Colloquium: The transport properties of graphene: An introduction”, N. M. R. Peres.
Rev. Mod. Phys. 2010;82:2673-2700.
“Emergence of magnetism in graphene materials and nanostructures”, O. V. Yazyev.
Rep. Prog. Phys. 2010;73:056501.
“Graphene electrochemistry: an overview of potential applications”, D. A. C. Brownson,
C. E. Banks, Analyst 2010;135:2768-2778.
“Graphene photonics and optoelectronics”, F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan and A. C.
Ferrari. Nature Photonics 2010;4:611-622.
“Review of chemical vapor deposition of graphene and related applications”, Y. Zhang,
L. Zhang. C. Zhou. Accounts Chem. Res. 2013;46:2329-2339.
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Bibliografia recomendada
Artigos gerais – óxido de grafeno, esfoliação em fase líquida e tópicos
relacionados:
“Scalable production of graphene via wet chemistry: progress and challenges”, Y.
L. Zhong, Z. Tian, G. P. Simon, D. Li. Mater. Today 2014;18:73-78.
“Graphene via sonication assisted liquid-phase exfoliation”, A. Ciesielski, P. Samorí.
Chem. Soc. Rev. 2014;43:381-398.
“Harnessing the chemistry of graphene oxide”, D. R. Dreyer, A. D. Todd, C. W.
Bielawski. Chem. Soc. Rev. 2014;43:5288-5301.
“Mechanism of graphene oxide formation”, A. M. Dimiev, J. M. Tour. ACS Nano
2014;8:3060-3068.
“Graphene oxide-assisted membranes: Fabrication and potential applications in
desalination and water purification”, H. M. Hegab, L. Zou. J. Membrane Sci.
2015;484:95-106.
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Grafeno e nanomateriais relacionados - Jair C. C. Freitas
Conferência Nobel de Andre Geim (2010):
“Random walk to graphene – story behind”,
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/geim-lecture.html
Conferência Nobel de Konstantin Novoselov (2010):
“Graphene: materials in the flatland”,
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/novoselov-lecture.html
Colóquio proferido por Caio Lewenkopf, no Instituto de Física da USP (2010):
“O Prêmio Nobel de 2010: Grafeno: o início de uma nova era para o carbono”,
http://video.if.usp.br/video/o-pr%C3%AAmio-nobel-de-2010-grafeno-o-in%C3%ADcio-de-uma-nova-era-para-o-carbono
Conferência de Jonathan Coleman, Trinity College, Dublin (2012):
“Tiny but mighty: How today’s nanomaterials will lead to tomorrow’s technologies”,
https://www.youtube.com/watch?v=HXYnvQliX6g
Seminários disponíveis na internet:
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Contato: dúvidas, comentários, sugestões, etc.
Jair C. C. Freitas
Departamento de Física - UFES
http://blog.ufes.br/jairfreitas