Nanotecnologia I MAN 213

Aula 04

03/09/2012

Profa. Dra. Jussane Rossato jussaner@gmail.com

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Efeitos de Escala em Nanoestruturas

Unidade II – Efeito de Escala em Nanoestruturas

2.1) Tipos de Confinamento

2.2) Propriedades Morfológicas e de Superfície

2.3) Propriedades Óticas

2.4) Propriedades Magnéticas

2.5) Propriedades Eletrônicas

Sumário

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PROPRIEDADES DA MATÉRIA QUE SE ALTERAM DE ACORDO COM A

ESCALA E ORGANIZAÇÃO ATÔMICA

Motivação

1) Vocês já ouviram ou leram a respeito de tintas e roupas que mudam de

cor de acordo com a temperatura?

Jaqueta de cristal líquido

São revestidas com partículas

de cristal líquido termo sensíveis

e muda de cor quando a temperatura

varia de 10º e 15 ºC.

Composta por nanopartículas que

interagem com a luz e, quando

controladas por um campo magnético,

podem emitir a cor que quisermos

Tinta Magnética

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2) Que cores podemos observar nas asas

de uma mesma borboleta? O que define

essas cores?

Motivação

5

3) Como na idade média já era possível a

construção de vitrais de diferentes cores?

Motivação

6

Motivação

7

Motivação

8

Motivação

9

Motivação

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Afinal, o que tudo isso tem a ver com

Nanociência e Nanotecnologia?

Primeiro temos que entender o que é

LUZ.

Motivação

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Comportamento da Luz

LUZ

• A luz na forma como a conhecemos é uma gama de comprimentos de onda a que o

olho humano é sensível. Trata-se de uma radiação eletromagnética ou num sentido

mais geral, qualquer radiação eletromagnética que se situa entre a radiação

infravermelha e a radiação ultravioleta.

• A luz visível é uma pequena faixa no espectro, com comprimentos de onda variando

entre 400nm e 750nm. A cor que vemos depende do comprimento de onda.

A luz solar é composta por fótons dos mais variados comprimentos de onda.

• A luz composta por fótons de apenas um comprimento de onda, damos o nome de luz

monocromática.

• A luz solar é, portanto, uma luz policromática.

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A luz possui comportamento dual

A luz como uma onda

A luz como uma partícula

No estudo da óptica, aprende-se que cada

cor corresponde a uma dada frequência

de oscilação dessa onda eletromagnética

luminosa. A luz branca é composta por

todas as freqüências correspondentes a

cada uma das cores. A luz branca pode

ser decomposta em cada uma de suas

cores componentes se fizermos com que

ela atravesse um prisma. Neste caso,

cada uma das freqüências sofrerá um

desvio diferente e conseqüentemente

haverá uma separação das sete cores.

Qualquer material atingido pela luz é

bombardeado por bilhões de fótons. O

material, por sua vez, é formado de

átomos. A reflexão dos fótons depende

do tipo de átomos do material, sua

ordenação no espaço (e de seus elétrons)

e do tipo de átomos se combinando.

Muitos arranjos absorvem alguns fótons,

geralmente transformando-os em calor (é

por isso que carros e roupas pretas

esquentam tanto), enquanto outros são

refletidos, nem sempre no exato sentido

em que chegaram. Isso faz com que

cheguem aos nossos olhos fótons de

diferentes comprimentos de onda o que

nos permite perceber a cor emitida por

diferentes materiais.

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Por fim ...

A luz é uma onda eletromagnética e pode ser considerada como uma

combinação de campos elétricos (E) e campos magnéticos (B),

perpendiculares entre si . A direção de propagação desta onda é perpendicular

aos campos E e B.

As ondas eletromagnéticas movem-se na velocidade da luz no vácuo, se estiverem em

outro meio este valor será alterado. A característica do meio que influencia a mudança de

velocidade é chamada de índice de refração.

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A radiação pode comportar-se como onda, desta forma ela pode ser classificada tanto

em termos de comprimento de onda como de frequência, as quais estão relacionadas

pela seguinte equação:

velocidade da luz

comprimento de onda

onde: freqüência

= freqüência em segundos-1 (s-1);

= velocidade da luz (3 x 10-8 m s-1);

= comprimento de onda em metros (normalmente em nm = 10-9 m).

..........

c

c

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Algumas interações entre radiação eletromagnética e matéria podem ser

explicadas em termos da teoria das ondas. Porém o entendimento de certas

interações requer que a radiação seja visualizada como uma partícula ou um

pacote de energia denominada de fóton. A energia de um fóton associada com a

radiação eletromagnética é definida por:

onde:

E = energia em joules (J);

h = constante de Planck (6,62 x 10-34 J s).

Como frequência e comprimento de onda são inversamente proporcionais, a

energia de um fóton pode ser expressa também por:

Tentando usar simultaneamente as características de onda e partícula, a radiação

eletromagnética pode ser considerada como sendo pequenos pacotes de energia

se movendo no espaço na forma de onda.

Radiações com menores comprimentos de onda possuem maior energia.

hE

hcE

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Espectro visível

Em baixas temperaturas a maior taxa de

emissão está na faixa do infravermelho.

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Propriedades Ópticas dos Nanomateriais

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Modelos Atômicos

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Quantização da Luz

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Fótons

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O Modelo de Bohr

Niels Bohr

(1885- 1962)

“Modelo com Níveis de energia” (1913)

K L M N O P Q

) ) ) ) ) ) ) Núcleo Eletrosfera

) ) ) Fóton Efeito Fotoelétrico

Se um elétron trocar de uma órbita

de maior energia para outra de

menor energia, haverá emissão de

radiação. A energia do fóton emitido

será igual à diferença entre as

energias das órbitas;

Níveis de Energia

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Modelo Atômico de Sommerfeld

Ao pesquisar o átomo, Sommerfeld concluiu que os elétrons de um mesmo

nível, ocupam órbitas de trajetórias diferentes (circulares e elípticas) a que

denominou de subníveis, que podem ser de quatro tipos: s , p , d , f.

Níveis e Subníveis de Energia

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Níveis e Subníveis de Energia

Resumindo........

Nível de energia é o nível (camada) do átomo. É onde ficam os elétrons que giram

em torno do núcleo do átomo. Esses níveis são designados por:

K, L, M, N, O, P, Q,e Q.

Esses níveis de energia foram descobertos por Bohr e seus experimentos com chapa

fotográfica, descobrindo que cada nível tinha uma quantidade de energia específica.

Então, depois com Sommerfeld, foi descoberto que esses níveis de energia não eram

contínuos, que na verdade eram compostos por subníveis, denominados por:

s, p, d, f .....

De acordo com o número de elétrons que cada camada comporta, determinamos quais

os subníveis de energia que compõe essa camada.

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Sommerfeld aperfeiçoou o modelo de BOHR, incluindo órbitas elípticas para o

elétron, que teriam energias diferentes graças ao tipo de órbita descrita. Os

elétrons distribuem-se na eletrosfera em níveis e subníveis.

Na prática para um determinado nível de energia apenas 4 subníveis são

ocupados por elétrons:

s(sharp) p(principal) d(diffuse) f(fundamental)

Ordem crescente de energia e o número máximo de elétrons, nos níveis e subníveis de energia, estabelecidas por experiências é:

Níveis e Subníveis de Energia

+ 2e- 2e- 6e- 2e- 6e- 10e- 2e- 6e- 10e- 14e-

s

L M N

n=1 n=2 n=3 n=4

K

s p s s p d d f p

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Estados Possíveis

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Transições entre os

mesmos níveis de energia

sempre produzem

fóton de mesma “cor”

Quando tem-se muitos elétrons realizando a mesma transição, tem-se

apenas uma linha da cor correspondente, foi isso que os cientistas

chamaram de espectro atômico.

O contrário é verdade também, apenas algumas “cores” de fótons são

absorvidas por determinado átomo.

Órbita maior = mais alta energia

Emissão e absorção de energia

h

EE fi

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O comprimento de onda têm relação com a energia. Os menores

comprimentos de onda de luz significam vibrações mais rápidas e de

maior energia.

A linha vermelha no espectro atômico é

causada por elétrons saltando

da terceira órbita para a segunda órbita

Órbitas de Bohr para o

átomo de hidrogênio

Exemplo

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Gás

quente

Gás

frio

Espectro contínuo

Espectro de emissão

Espectro de absorção

Espectro atômico

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Difração

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Reflexão

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Confinamento Quântico

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Sistema confinado em 3D

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Sistema confinado em 2D

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Sistema confinado em 1D

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Sistema não confinado

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BORBOLETAS: Seres nanotecnológicos???

As cores que vemos nas asas das borboletas se devem a estruturas nanométricas

altamente organizadas. Essas estruturas fazem com que a luz bata e seja refletida em

certas direções e com determinados comprimentos de onda. Isso define a cor que

vemos.

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BORBOLETAS: Seres nanotecnológicos???

O grau de organização dessas estruturas é fundamental no processo, pois os

espaços entre elas é igual ao comprimento de onda da luz refletida. Se as

plaquinhas estiverem desorganizadas, são emitidos diferentes comprimentos de

onda e a cor gerada então passa a ser o branco.

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BORBOLETAS: Seres nanotecnológicos

Essas estruturas nanométricas que espalham a luz são chamadas de cristais

fotônicos. Cada asa de borboleta possui diferentes cristais fotônicos, quanto

maior o grau de organização mais próximo ao azul é o comprimento de onda

espalhado.

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Azul do Céu

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Entardecer

Embora a luz solar seja branca (o que significa que contém todas as cores), o

céu fica azul em um dia ensolarado. Isso porque a luz solar que penetra na

atmosfera colide com moléculas e partículas de poeira no ar, fazendo os

diferentes comprimentos de onda da luz se decomporem, em um processo

chamado dispersão.

O céu é azul em um dia claro porque as pequenas partículas atmosféricas

dispersam mais os curtos comprimentos de ondas azuis do que os longos

comprimentos de ondas vermelhas. Entretanto, ao amanhecer ou entardecer,

especialmente quando há poeira no ar, o céu se torna avermelhado. Isso

porque, próximo ao horizonte, a luz solar atravessa uma porção maior de

atmosfera. A luz azul é totalmente desviada, mas as partículas grandes de

poeira dispersam a luz vermelha.

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Propriedades Magnéticas

A ATRAÇÃO É MAIS FORTE NOS PÓLOS

COMO ELES SE ORIENTAM NO SENTIDO

NORTE E SUL, CHAMAMOS

PÓLO NORTE

E

PÓLO SUL

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Propriedades Magnéticas

PÓLO NORTE

PÓLO SUL

N

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Propriedades Magnéticas

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

4 elétrons desemparelhados - 4B

Forte momento magnético

* Átomos de diversas séries da tabela periódica tem elétrons desemparelhados.

Ex. Fe; Z=26

Magnetismo: Fenômeno segundo o qual materiais impõem uma força ou influência

atrativa ou repulsiva sobre outros materiais!!

Magnetismo Intrínseco

de cada átomo.

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Propriedades Magnéticas

Quando os átomos que são magnéticos se agregam em

uma estrutura cristalina, a rede magnética pode se arranjar

em diversas situações:

Paramagnetismo (na ausência de campo externo a magnetização é nula

Ex: ar, alumínio, cromo)

Ferromagnetismo (ordem magnética. Ex: ferro, níquel, cobalto )

Antiferromagnetismo (ordem magnética)

Ferrimagnetismo

Domínios Ferromagnéticos

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Propriedades Magnéticas

Os domínios magnéticos são regiões microscópicas nas quais os seus átomos

estão polarizados em uma dada direção, formando assim pequenos imãs.

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• Remoção de óleos

Courtesy: Prof. Paulo Cesar de Morais, UNB, PI-BR0300855-0

Exemplo: Ferrofluidos

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Ferrofluidos

Dispersão coloidal estável com tamanho de 10 nm ;

Fluidez de uma solução homogênea;

Biocompatibilidade;

São formadas por monodomínios magnéticos;

Nanopartículas superparamagnéticas;

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Monodomínio e Multidomínio

Nanopartículas magnéticas:

Óxido de Ferro

• Superparamagnetismo, coercividade nula, sofre influência da flutuação térmica e a susceptibilidade magnética é situada entre a dos ferromagnéticos e dos paramagnéticos.

• D<Dc a quantidade de energia para produzir paredes de domínio torna-se maior que a redução da energia magnetostática desfavorecendo domínios múltiplos;

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Aplicações

Aplicações das nanopartículas magnéticas:

Óleo Lubrificante Para Passar no driver (Autofalante)

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Aplicações

Crescente importância de novos agentes de contraste

para MRI

Atualmente o agente de contraste mais

usado é composto de nanopartículas:

superparamagnéticas de óxido de ferro.

Contraste para imagem por

ressonância magnética (MRI)

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Aplicações

Hipertermia magnética:

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Aplicações

Carregador de Fármacos:

Desenho de duas aplicações terapêuticas de nano-ímãs!!!!

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Aplicações

O Ferrofluido também é usado em: Altos falantes de alta performance:

Com três objetivos simultâneos:

a) Conduzir o calor para longe da bobina que gera o movimento;

b) Manter a bobina em posição concêntrica em relação ao ímã;

c) Amortecer com maior eficiência o movimento oscilante.

Tintas para impressoras jato de tinta:

Uma vez que as partículas magnéticas de aproximadamente 1nm são

adicionadas em baixa concentração, os caracteres impressos

manterão certo momento magnético, podendo ser identificados com

tecnologias análogas às dos discos rígidos de computadores. Abrindo

a possibilidade de serem utilizados para detecção de baixa precisão,

por exemplo, em leitores de códigos de barras.

Contenção de derrames de óleo no mar:

Funcionando como barreiras magnéticas, ou selando vazamentos de

rachaduras em tanques de materiais potencialmente perigosos, pois é

possível controlar o movimentos desses fluidos magnéticos sem

contato físico direto.