Aula04 efeitos de_escala_em_nanoestruturas_jussane
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Aula de Nanotecnologia
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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
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3) Como na idade média já era possível a
construção de vitrais de diferentes cores?
Motivação
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Motivação
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Motivação
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Motivação
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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.
