nanotubos de carbono universidade federal de pelotas centro de desenvolvimento tecnológico curso de...
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NANOTUBOS DE CARBONO
Universidade Federal de PelotasCentro de Desenvolvimento TecnológicoCurso de Graduação em Biotecnologia
Disciplina de NanobiotecnologiaProfessor Luciano Pinto
Carolina Ximendes
Caroline LucasElisa Fortes
Setembro de 2010
Carbono
Compostos distintos Estruturas fechadas
Fulerenos e NTC
Infinidade de compostos
C C
C X
Diferentes hibridizaçõ
esdo carbono
Estruturas elementares do
carbono
Carbono
1985: Fulerenos Kroto et al. 3ª forma mais estável do carbono Hibridização sp²
1991: Nanotubos de carbono Sumio Iijima Morfologia tubular Dimensões nanométricas
Nanotubos de carbono
Constituição básica: Ligações covalentes C – C
Hibridização sp²
Camada de grafite Cilíndros
Duas categorias: Nanotubos de parede única ou simples Nanotubos de paredes múltiplas
Nanotubo de paredes
múltiplas
Nanotubo de parede simples
5 2 7
paredes
NTC
Propriedades elétricas, magnéticas, ópticas e mecânicas Elevada resistência mecânica e condutividade térmica Flexibilidade e alta área específica Caráter metálico ou semicondutor
Síntese é fundamental
Caracterização da estrutura atômica Propriedades e mecanismos de crescimento
Evolução do número de publicações científicas anuais relacionadas com
NTC
Métodos de preparação
Descarga por arco
Ablação por laser Condensação de átomos de carbono 3000 – 4000ºC
Deposição química de vapor Decomposição de gases Abaixo de 1000ºC
Descarga por arco
Descarga por arco
Variáveis podem influenciar na qualidade, rendimento e distribuição de diâmetros dos nanotubos Geometria do reator Pressão no reator Voltagem Corrente
Otimização da síntese
Descarga por arco
Limitações: Aumento de escala do sistema limitado
Energia, tamanho do ânodo e dissipação do calor Domínios altamente energéticos Produto obtido com impureza Produz grande quantidade de carbonos amorfos
Vantagem: Excelente qualidade estrutural
Ablação por laser
Ablação por laser
Produz nanotubos de parede simples e paredes múltiplas
Pureza de 70-90%
Rendimento depende de vários fatores Tipo de catalisador Potência e comprimento de onda do laser Temperatura Pressão Tipo de gás
Método de deposição química de vapor (CVD)
Decomposição de um vapor ou gás precursor contendo átomos de carbono, na presença de um catalisador na atmosfera inerte;
Nanotubos “crescem” a partir das
nanopartículas metálicas;Diâmetro dos nanotubos depende do tamanho
das nanopartículas.
Gás + catalisador metál
ico
Forno
900 °C
Átomos de
carbono grudados
nas nanopartículas do
metal dissolvido
CVD
Catalisadores empregados podem ser gerados in situ no processo ou serem suportados sobre sílica, alumina, zeólitos entre outros.
Ex: Andrews e colaboradores sintetizaram MWNT alinhados e com alta pureza, através da decomposição catalítica de um mistura ferro/xileno a 675 °C.
Método de deposição química de vapor
CVDMétodo de deposição química de vapor
CVD
Diferentes temperaturas de decomposição e diferente métodos de preparação do catalisador podem levar a mecanismos de crescimentos diferentes, originando tubos com características diferentes.
Síntese de NTC pelo método do catalisador suportado, pode ser influenciado tanto pela natureza do suporte como pela natureza do catalisador.
Métodos de CVD produz nanotubos de alta pureza quando comparado com as técnicas de ablação por laser e descarga por arco.
Menor temperatura- nanotubos com defeitos estruturais em suas pontas e paredes.
Purificação de nanotubos de carbono
Principais impurezas: folhas de grafite, carbono amorfo, catalisadores e os fulerenos.
Falta de homogeneidade, interfere nas propriedades desejadas para a aplicações específicas.
Necessidade de materiais com características controladas.
Purificação de nanotubos de carbono
Purificação normalmente consiste de várias etapas:
Eliminação do suporte: ataque ácido a quente, seguida de filtração e ajuste do pH.
Eliminação das partículas metálicas: procedimentos químicos, oxidantes, pré-tratamento com ultra-som.
Eliminação do carbono amorfo: tratamento oxidativo em fluxo de oxigênio e/ou vapor d’água em temperaturas acima de 300°C.
Purificação de nanotubos de carbono
O efeito da técnica escolhida dependerá da composição e quantidade da amostra
Utilizar técnicas para obter baixo teor de impurezas dos vários tipos de carbono e metais, sem alterar o NTC.
Maioria das técnicas destroem os NTC (cutting).
Ajustar temperatura, a escala e o tempo.
Principais técnicas
Purificação de nanotubos de carbono
Purificação de nanotubos de carbono
Vantagens
• Extremamente finos;• Ótimos condutores de eletricidade e calor;• Grande resistência mecânica;• Não quebram;• Não deformam;• Diminuir o tamanho de aparelhos eletrônicos
e computacionais;• Diminuição da necessidade de mineração
(grafite pode ser produzido em laboratório a partir de outros materiais).
Desafios
Dificuldade de obter fibras longas;
Produção (síntese) em larga escala;
Métodos adequados para retirar impurezas da amostras;
Variação das propriedades dos nanotubos quando combinados a outros materiais;
Caracterização
Importância: Área superficial; Estrutura; Características químicas e físicas;
Podem influenciar nas propriedades eletrônicas, ópticas e magnéticas
Caracterização
Espectroscopia Raman;Microscopia eletrônica de varredura;Microscopia eletrônica de transmissão;Espectrometria no ultravioleta visível;Difração de raios-X;Oxidação a temperatura programa;Medidas eletrocatalíticas;
Espectroscopia Raman
Diâmetro;Quiralidade (ângulo quiral);Caráter metálico;Caráter semicondutor;Distinguir cada espécie;
Microscopia Eletrônica de Transmissão e Varredura
Quiralidade – resolução atômica;Diâmetro;Número de tubos;Número de paredes;Diâmetro interno e externo;
Número de paredes
Diâmetro interno e externo
Comparar
métodos
Descarga por arco
CVD a 720°C
Difração de Raios-X
Observação de vários nanotubos;Orientações variadas;Amostra pode possuir nanotubos de
diferentes: Diâmetro; Quiralidade; Camadas;
Avaliar efeitos da temperatura;Determinar grau de alinhamento;
Aplicações
Nanoprocessadores – subst. Chips;Transmissão e condução de energia;Tecidos de alta resistência – subst. Kevlar;Construção civil – subst. Cabos de aço;Fuselagem de foguetes e ônibus espaciais;Endurecer plásticos e torná-los condutores;Podem chegar ao interior de uma célula e
serem usados como sensores para diagnóstico;
"Existe a crença de que os nanotubos venham a substituir o silício na era
da nanoeletrônica",.Ressalta Marcos Pimenta, professor do Departamento de Física da UFMG e
coordenador do Instituto do Milênio de Nanociências.
Supercapacitores – Bateria de papel
Corda invisível
Aplicações
• Muitos outros usos ainda serão descobertos ou inventados até que a produção em escala industrial se torne realidade;
• Os nanotubos de carbono, entre outros, são o assunto mais pesquisado e discutido nos últimos anos;
• Como a tecnologia muda com uma velocidade impressionante, a previsão de alguns anos para a chegada de equipamentos criados a partir desse material pode ser abreviada sem nenhum aviso;
Linhas de Pesquisa
• Produção:Síntese de nanoestruturas de carbono;Síntese em larga escala;Processamento pós-síntese;
• Pesquisa Básica e Caracterização:Propriedades óticas;Propriedades mecânicas;Propriedades eletrônicas e magnéticas;
• AplicaçõesSupercapacitores;Dispositivos fotovoltaicos e de memória;Eletrodos para células de combustível;Biocompósitos/Colágeno;Biosensores;Sensores de gás;
http://www.fisica.ufc.br/redenano/pesquisa.html
Obrigada!