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Metodos Quımicos para Fabricacao deMateriais Nanoestruturados

Prof. Dr. Sergio da Silva [email protected]

Curso de Engenharia de Materiais - UFPel

30 de setembro de 2009

Prof. Dr. Sergio da Silva Cava [email protected] Metodos Quımicos para Fabricacao de Materiais Nanoestruturados

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Introducao

O que e Nano?Origem no grego “nannos”: anao.Extremamente pequeno, um bilionesimo.

1 nanometro = 10−9 metro.

O que e material nanoestruturado?Material baseado em estruturas e moleculas com controleem nıvel atomico.Novas propriedades fısicas, quımicas e biologicas.Pos ceramicos nanofasicos (< 100 nm) possuempropriedades diferentes.


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Qual e o tamanho de 1 Nanometro?


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Por que estudar materiais nanoestruturados?

Incentivos – Propriedades diferenciadas em relacao amateriais convencionais.Possibilidades – Tecnicas avancadas de producao ecaracterizacao permitem estudo em escala atomica.Mercado global – Aplicacoes comerciais resultam emgrandes faturamentos as industrias.

US$ 10,5 bilhoes em 2006.US$ 25,2 bilhoes em 2011.Estes valores incluem aplicacoes comerciais estabelecidasnanomateriais, tais como o tintas para impressoras,catalisadores.E novas tecnologias, tais como nanopartıculas texteis,aditivos de combustıvel de foguetes e memoria eletronicaem nanoescala.


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Ciencia e Engenharia dos Materiais

E um campo interdisciplinar voltado a investigacao denovos materiais e ao aperfeicoamentos dos ja conhecidos.Desenvolvimento da correlacaocomposicao-microestrutura-sıntese-processamento.


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Composicao significa a composicao quımica de ummaterial.Estrutura significa uma descricao do arranjo dos atomosou ıons em um material.Processamento significa diferentes meios para dar formaa materiais em componentes uteis ou mudar suaspropriedades.Propriedades sao as caracterısticas dos materiais,resultantes da composicao, estrutura e processamento.


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Note que microestrutura, processamento e propriedadessao interconectados e afetam a relacao custo-benefıcio.


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Como estudar materiais nanoestruturados?

Os princıpios que governam estas relacoes ainda saovalidos.Materiais nanoestruturados requerem especial atencaopara processamento e caracterizacao.Propriedades dependentes do tamanho levam aaplicacoes diferenciadas.


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Metodos de sıntese

Ha muitos metodos diferentes de processamento quımicode materiais,

Estado solido,Pirolise,Solucao,Precipitacao,Deposicao de vapor,Hidrotermal,Sol-gel.


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Metodos de sıntese

Princıpios: nucleacao homogenea + difusao controlada decrescimento.Mais comum: processo sol-gel.


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Energia de reacoes


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Variacao da energia livre

Tradicionalmente, no estagio de nucleacao do processo denucleacao e crescimento, assume-se que ha um tamanhocrıtico de partıcula r1:

r1 =2γ

∆G1

A partıcula e esferica, com um raio r . ∆G e a diferenca deenergia livre do tamanho crıtico.E necessario que um aumento no tamanho de partıcula ouum crescimento adicional de r conduza a um decrescimona energia livre, para que o material obtido seja estavel.


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DG2 << DG1 ⇒ r2 << r1


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Estruturas de carbono baseadas em nanoestruturas


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Por que as formas de bola e de tubo?

Em materiais nanometricos, a area de superfıciedesempenha um papel muito importante.Uma partıcula fina de grafite possui um grande numero deatomos em sua extremidade, que sao instaveis.Tendo oportunidades, solidos nanometricos se enrolamformando bucky balls ou tubos para minimizar a energiatotal.


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Por que as formas de bola e de tubo?


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Mecanismos de formacao donanotubo de carbono (CNT)

Metal de transicao como catalisador.Dissociacao de hidrocarboneto na superfıcie do metal emH and C.Uma vez com a superfıcie saturada de carbono, inicia-se aformacao de planos de grafite enrolados.Mais atomos de carbono podem ser inseridos na interfacemetal-C para que o tubo cresca mais.


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Mecanismos de formacao donanotubo de carbono (CNT)


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Propriedades do nanotubo de carbono


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Propriedades do nanotubo de carbono

Ha diferentes maneiras de enrolar um plano de grafite paraformar um nanotubo. Esta configuracao e definida comoquiralidade.As propriedades eletronicas do nanotubo e determinadapor esta quiralidade: semicondutor, semimetal ou metal.


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Processo Sol-gel

Partıculas ou moleculas coloidais em suspensao (sol) saomisturadas a um lıquido, o que causa sua uniao(polimerizacao) em uma rede contınua denominada gel.A polimerizacao reduz grandemente a difusao quımica e asegregacao.O gel e entao seco, calcinado e moıdo para formar um po.Baixa temperatura e homogeneidade a nıvel molecular.Precursores tıpicos: Alcoxidos metalicos ou saisinorganicos e sais organicos.


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Mecanismos de sıntese

Assegurar que ocorra reacoes entre os diferentesprecursores constituintes.

Reatividade, eletronegatividade, numero de coordenacao,raio ionico.Modificacao do precursor: permite alterar o liganteorganico. (ex: reatividade: Si(OC2H5)4 < Si(OCH3)4)Modificar quimicamente o estado de coordenacao dosreagentes.

TiX4 + 2ROR → TiO2 + 4RX


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Mecanismos de sıntese

Nucleacao temporal seguida por crescimento controladopor difusao.Oxidos complexos, hıbridos organico-inorganico,biomateriais.Tamanho de partıculas = f(concentracao, tempo deprocesso).Estabilizacao coloidal: dupla camada eletrostatica.


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Exemplos de sıntese e aplicacao de metodos sol-gel

A sılica gel e formado por hidrolise e polimerizacao de alcoxidotetraetil ortossilicato em uma solucao.


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Exemplos de sıntese


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900◦C 1025◦C 1200◦Cγ-Al2O3 γ-Al2O3 + α-Al2O3 α-Al2O310-15nm 10-100nm > 100nm


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Processo Spray-pirolise

Um sal metalico e decomposto com calor.Uma solucao, spray ou gas do sal e pulverizado (ougotejado) sobre uma chama.gotas → evaporacao → condensacao do soluto →decomposicao & reacao → sinterizacao.A decomposicao ocorre resultando em um resıduo dooxido metalico.Dependendo da atmosfera de gases utilizada, e possıvelobter nitretos, carbetos, etc.Um exemplo: sıntese de TiO2 .

TiCl4 e pulverizado em ar.Oxidacao ocorre formando TiO2.


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Processo Spray-pirolise

Morfologia esferica de po de ZrO2.


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Exemplo de sıntese


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Exemplo de sıntese

tamanho medio de esfera = 900 nm tamanho medio de partıcula = 4 nm


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Processo de fibras ceramicas

Processo de obtencao de fibras a partir de “templates”.


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Exemplos de morfologia de materiais


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Exemplos de morfologia de materiais


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Conclusoes

O futuro de novos desenvolvimentos e aplicacoes emnanotecnologia e outras areas da ciencia e engenharia demateriais dependera de conhecimentos basicos daciencia, incluindo a quımica, a fısica e a matematica.


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