Seminário II

Ana Paula Tasquetto da Silva, Benonio Villalba, Bruno Vendrusculo e Iuri Jauris

Profª Drª Marta Palma AlvesProfª Drª Renata Raffin

Profª Drª Solange Fagan

CENTRO UNIVERSITÁRIO FRANCISCANOMESTRADO ACADÊMICO EM NANOCIÊNCIAS

DISCIPLINA: NANOTECNOLOGIA

Artigo

Fator de impacto: 8,795

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1) Introdução: Diferentes tipos de nanoestruturas de carbono (3D), (2D), (1D), (0D).

2) Propriedades eletrônicas e de transporte do grafeno e das nanofitas de grafeno.

3) Síntese: Grafeno, nanofitas de grafeno.

4) Defeitos e caracterização do grafeno.

5) Aplicações

6) Conclusão

Sumário

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•Este review visa resumir os últimos avanços teóricos e experimentais relacionados ao grafeno e aos planos bidimensionais de carbono em camadas (hibridizados sp2).

Objetivos

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• 1976 – Endo e colaboradores: 1º a reportar a existência de nanotubos de grafite (SWCNTs e MWCNTs) – HRTEM

• 1980 – Iijima: graphitic onions

• 1988 – Kroto e Mckay - C60, C240, C540, C960

anéis de carbono pentagonais e hexagonais

1) Introdução

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• 1991 – Iijima – arco elétrico – fulerenos aninhados em forma de cápsulas (microtúbulos de grafite).

1) Introdução

Nos anos seguintes...

(d) nanocones ou nanochifres, (e) nanotoróides (f) grafeno, (g) cristal de grafite, (h) Haeckelite (i) nanofitas de grafeno, (j) feixe de grafeno (k) NTC helicoidal,(l) cadeias curtas de carbono (m) 3D Schwarzite, (n) nano-espumas de carbono

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•É a mistura de um orbital s com dois orbitais p (pertencentes a um mesmo átomo), resultando em3 novos orbitais denominados híbridos sp2

•Os 3 orbitais sp2 situam-se num mesmo plano formando ângulos de 120° entre si (geometria plana triangular)

•Acontece com C que possua uma dupla ligação.

1) Introdução

Hibridização sp2

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•Quando dois ou mais átomos se unem para formar uma molécula níveis moleculares formados pela hibridização dos níveis atômicos.

•O gás etileno C2H2 é um exemplo de hibridização sp2

1) Introdução

Hibridização sp2

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1) Grafite (3D):

• Cristal tridimensional formado por camadas de grafenos empilhados e hibridizados em sp2 .

• Formato Hexagonal ou romboédrico dependendo da forma como são empilhadas as camadas.

• Densidade de estados:

1) Introdução

Diferentes tipos de nanoestruturas baseadas no carbono

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2) Schwarzites e redes de nanotubos (3D):

• Schwarzites Tipo de grafite hipotético formado quando há canais (buracos) entre as camadas de grafite.

• Estruturas similares já tem sido sintetizadas.

• Têm se mostrado ser um interessante material para armazenar hidrogênio devido a sua grande área de superfície.

• Redes de Nanotubos Possíveis propriedades eletrônicas e mecânicas importantes.

1) Introdução

Diferentes tipos de nanoestruturas baseadas no carbono

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3) Grafeno (2D):

• Elétrons movem-se com liberdade em estados de energia permitidos nas direções x e y. DOS se torna quantizada na direção z.

• Redução na dimensionalidade dos materiais mudança no comportamento eletrônico e, por consequência, mecânico e magnético.

1) Introdução

Diferentes tipos de nanoestruturas baseadas no carbono

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4) Estruturas pseudo-2D:

•Estruturas formadas por duas, ou pouco mais de duas, camadas de grafeno.

• Interessantes pois exibem propriedades físicas e químicas diferentes das do grafeno e também do grafite.

Diferentes tipos de nanoestruturas baseadas no carbono

1) Introdução

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5) Nanotubos e nanofitas de grafeno (1D):• Elétrons se deslocam apenas na direção x. Nas direções y

e z, sua densidade de estados é quantizada.

• Nanotubos de carbono bem como nanotoróides e nano hélices de carbono podem ser tratados como sistemas diferentes devido aos efeitos de curvatura na sua superfície.

1) Introdução

Diferentes tipos de nanoestruturas baseadas no carbono

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6) Estruturas 0D:•Os elétrons são totalmente confinados e a suas

energias totalmente quantizadas DOS totalmente localizada.

•Moléculas ou pequenas cadeias de carbono podem ser considerados como estruturas 0D.

Diferentes tipos de nanoestruturas baseadas no carbono

1) Introdução

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•As propriedades eletrônicas do grafeno mudam com o número de camadas e com a posição relativa dos átomos nas camadas adjacentes (ordem de empilhamento).

•Para a bicamada de grafeno, a ordem de empilhamento pode ser:▫ AA, com cada átomo, um em cima do outro;▫AB, onde um conjunto de átomos na segunda

camada acomoda-se em cima do centro vazio de um hexágono da primeira camada.

2) Propriedades do grafeno

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•O limite de espessura em que o grafeno ainda pode ser considerado como tal, pode ser determinado pela mudança na estrutura eletrônica conforme o número de camadas aumenta.

•As pilhas AB de grafeno apresentam diferentes espectros eletrônico.

•A bicamada mostra bandas parabólicas que tocam no nível de Fermi.

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2) Propriedades

•Sob a presença do campo elétrico, o gap na bicamada de grafeno pode ser aberto, o que é de interesse em aplicações tecnológicas.

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2) Propriedades

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2) Propriedades

• Três tipos diferentes de cristais pseudo-2D se destacam: Graphene, Bi-Layer Graphene e Few Layer Graphene.

•Estruturas mais espessas podem ser consideradas como filmes finos ou placas de grafite. 

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2) Propriedades

•A ordem de empilhamento ou desordem mudança nas propriedades eletrônicas da estrutura de grafeno.

•Estudos mostraram que uma folha de grafeno obtido por processos mecânicos de esfoliação pode apresentar altíssimos valores de condutividade térmica, superiores aos valores experimentais para nanotubos de carbono e diamante.

•No entanto, resultados experimentais mais recentes indicam valores mais baixos.

•Assim, essas propriedades térmicas poderiam ser exploradas a fabricação de dissipadores de calor e compósitos poliméricos com a condutividade térmica elevada.

•Mas, um estudo detalhado sobre as propriedades térmicas desses materiais ainda precisa ser realizado e comparado com os dados da literatura.

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2) Propriedades

•O grafeno tem uma resistência à ruptura 200 vezes maior que o aço;

•Estas medidas dependem do número e dos tipos de defeitos presentes na folha.

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2) Propriedades

Resistência mecânica de uma folha de grafeno

• Até agora, medições dessas propriedades não foram relatadas.

• Mas, nota-se que essas medidas também dependerão do número e dos tipos de defeitos e ainda dos tipos das terminações de bordas.

• Superfícies de grafeno altamente cristalino parecem ser quimicamente inerte, e as interações que ocorrem com outras moléculas são através da adsorção (interações π - π). 

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2) Propriedades

Propriedades mecânicas de nanofitas de grafeno

• No entanto, vários grupos químicos carboxila (COOH); carbonila (COH); hidrocarbonetos (CH); aminas (NH2), poderiam estar ancorados nas margens das nanofitas de grafeno;

• Além disso, o produto da reação química pode mudar, dependendo da sua terminação de carbono, armchair ou zigzag;

• E para tornar a superfície de grafeno quimicamente reativa mais, defeitos de superfície ou elevados graus de curvatura precisam ser introduzidos.

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2) Propriedades

• Para fazer a superfície do grafeno menos inerte é reagindo com átomos halogênios, como flúor. 

 • Mas, grafeno, apenas recentemente e com técnicas

diferentes, incluindo tratamentos de plasma, tratamentos F2 a alta temperatura, entre outros;

• Esses materiais poderiam ser usados para produzir compósitos poliméricos, pelo fato de poderem se dispersar homogeneamente em solventes;

• Além disso, as propriedades eletrônicas do grafeno podem ser sintonizadas via fluoração, controlando o gap do material.

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2) Propriedades

• Finalmente, também é possível produzir materiais óxido de grafeno para ataques de grupos oxigenados com hibridização de superfície sp2 (por exemplo, grupos carbonila e carboxila), fazendo-os mais hidrofílicos e reativos;

•  Este camadas de óxido são comumente produzidas através de métodos químicos úmidos e também poderiam ser facilmente dispersa sem diferentes solventes para a fabricação de compósitos poliméricos robustos;

• Devido ao grande número de defeitos contidos neste material, os detalhes e outras aplicações destes tipos de grafenos oxidados não foram aqui analisados.

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2) Propriedades

•Nanofitas de grafite fronteiras que podem apresentar diferentes estados de borda e efeitos eletrônicos

assim propriedades química e magnéticas dependem do tamanho e do tipo de fronteira

•As configurações de borda mais estudadas são as nanofitas armchair e ziguezague (A-GNRs, Z-GNRs).

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2) Propriedades

Propriedades das nanofitas de grafite

• GNRs-Z apresentam estados de borda não presentes no caso poltrona. Esses estados de borda se apresentam como uma banda fixa em torno do nível de Fermi.

• Com isso, as GNRs-Z apresentam propriedades magnéticas que são relevantes para a spintrônica.

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2) Propriedades