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!