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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONASDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

NANOTUBOS DE CARBONOCARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÕES

IZAURA NOGUEIRA22/10/2013

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1. Introdução

Carbono – Apresenta grande afinidade em combinar-se quimicamente com outros átomos,incluindo átomos de carbono,além de formar ligações hibridizadas, o que permite a produção de geometrias e compostos diferentes.

Figura 1.1 : Formação dos orbitais sp³,sp² e sp.

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2. Formas alotrópicas do carbono

Alotropia – Fenômeno em que um mesmo elemento é capaz de formar diferentes estruturas cristalinas com diferentes propriedades físicas, contendo apenas um único tipo de átomo.

Diamante: Os átomos de carbono são conectados por fortes ligações σ do tipo sp³ tetraédricas; Alta estabilidade; Extrema dureza; Possui propriedades isolantes.

Figura 2.1 : Estrutura do diamante

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Grafite:

Dentro de cada folha de grafeno, cada átomo de carbono se liga a outros 3 vizinhos através de hibridizações sp², formando ligações σ fortes;

Entre os planos paralelos, as ligações são fracas do tipo π; Apresenta boa condutividade elétrica.

Figura 2.2 : Estrutura do grafite. Figura 2.3 : Estrutura cristalina do grafite vista de cima

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Figura 2.4 : Estrutura dos fulerenos.

Fulereno:

Sua descoberta foi uma “feliz coincidência da ciência”; Produzido a partir de experiências de vaporização de grafite pela irradiação de um

laser; Moléculas ocas de carbono ligadas através de hibridizações sp².

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Figura 2.5 : Estrutura dos nanotubos de carbono de múltiplas e de uma camada.

Nanotubos de carbono:

Descobertos em 1991, pelo físisco japonês Sumio Iijima; Os chamados nanotubos tinham morfologia tubular e diâmetro médio da ordem de 1

nanômetro; A reunião de incríveis propriedades físicas e químicas, em uma única e minúscula

estrutura, estimula a imaginação da comunidade científica.

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Tipos de nanotubos de carbono

Nanotubos de parede única ou simples:

Figura 2.5 : Representação esquemática de uma folha de grafite que origina um nanotubo.

Nanotubos de paredes múltiplas:

Figura 2.6: Representação esquemática de nanotubo de paredes múltiplas.

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Figura 3.1: Classificação dos nanotubos de carbono originados do enrolamento do grafeno.

Para se gerar um nanotubo, basta unir o átomo de carbono,representado por 0 na figura 2.5, a qualquer outro átomo.

3. Propriedades estruturais dos nanotubos de carbono

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Este vetor determina a direção do enrolamento da camada de grafeno, para formar o NTC de tal forma que coincidam dois sítios cristalográficos equivalentes de sua rede hexagonal.

É definido por dois números inteiros (n,m) e pelos vetores unitários da rede hexagonal ā1 e ā2.

Figura 3.2 : Representação do vetor quiral no grafeno.

Nanotubo do tipo (4,2)

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Nanotubos metálicos e semicondutores

Figura 3.3: Definição dos SWCNT pelos diferentes coeficientes (n,m).

Figura 3.4: Nanotubos com índices (n,m) indicados.

Se n-m = 0 ou múltiplo de 3 Material metálicoSe n não for múltiplo de 3 Material semicondutor

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4. Estrutura Eletrônica dos nanotubos de carbono

Figura 4.1: Bandas de condução.

As propriedades eletrônicas dos NTCs são decorrentes do confinamento quântico dos elétrons no eixo do nanotubo.

O número resultante de bandas de valência e de condução depende efetivamente da circunferência do NTC.

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Muitas vezes, NTCs exibem defeitos, como arranjos entre átomos de carbono formando pentágonos e heptágonos, vacâncias ou dopantes, que modificam drasticamente as propriedades eletrônicas

Figura 4.2: Nanotubo de carbono com uma vacância simples dopado com um átomo de Si.

Existe uma física muito rica e intrigante desses sistemas na presença de defeitos, que é a capacidade dessas estruturas se reorganizarem,como não ocorre com nenhum outro material.

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5. Propriedades biológicas dos nanotubos de carbono

Os nanotubos têm um enorme potencial em uma grande variedade de aplicações biológicas, incluindo diagnósticos e tratamentos médicos. Entretanto, estudos mostram que,por razões não inteiramente conhecidas, os nanotubos de carbono são citotóxicos.

Figura 5.1: : Número de publicações das principais empresas ou instituições que fizeram pedidos de patente na área das nanopartículas para o diagnóstico e terapia de câncer no período de 2001 a 2011

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6. Caracterização de nanotubos de carbono

Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET)

Diferentes informações podem ser extraídas das imagens da Microscopia Eletrônica de Transmissão, como por exemplo: quiralidade, diâmetro e números de tubos em um feixe de SWNT (Nanotubo de carbono de parede única) e o número de paredes, diâmetro interno e externo para MWNT (Nanotubo de carbono de múltiplas paredes).

Figura 6.1: Imagem de um feixe de NTC de parede simples obtida por MET

Desvantagem: O volume da amostra observado é extremamente pequeno.

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6. Caracterização de nanotubos de carbono

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

Com o uso do MEV, é possível obter informações qualitativas quanto ao comprimento do nanotubo,seu alinhamento e morfologia. Para a visualização de nanotubos de paredes simples,a técnica MEV é mais limitada.

Figura 6.2: Imagem obtida por MEV de filmes de NTC’s alinhados sobre silício oxidado.

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6. Caracterização de nanotubos de carbono

Análise Termogravimétrica (ATD/ATG)

A ATG permite obter informações qualitativas em relação a quantidade de carbono pirolítico e nanotubos de carbono presentes na amostra,e informações quantitativas em relação a quantidade de carbono total e óxidos metálicos presentes na amostra.

Figura 6.3: Cupido feito de nanotubos de carbono por alunos da Brigham Young University.

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7. Aplicações dos nanotubos de carbono

Aditivos para materiais poliméricos

Existem relatos de que a adição de pequenas porcentagens de NTC’s a matrizes poliméricas, como PVA e PS, levam a um aumento de cerca de 40% na tensão elástica e a um acréscimo de 25% na resistência à tração.

Materiais adsorventes de gases

Está em pesquisa o uso de nanotubos de carbono como adsorvente de gases poluentes emitidos na queima de combustíveis fósseis. Foi observado que os nanotubos apresentam grande eficiência na remoção de óxidos de nitrogênio, grande poluente da industria do petróleo.

Armazenamento de hidrogênio

A tecnologia dos nanotubos de carbono representa uma nova fronteira para o armazenamento de hidrogênio, especialmente se esses materiais puderem ser modificados para armazenar grandes quantidades de hidrogênio à temperatura ambiente.

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7. Aplicações dos nanotubos de carbono

Células solares

Constituem uma alternativa aos dispendiosos materiais usados em células convencionais.Células fotovoltaicas de carbono poderiam ser utilizadas para revestir as paredes de edifícios ou implantadas em ambientes extremos, como os desertos.

Buckypaper

Buckypaper é uma fina superfície feita de um agregado de nanotubos de carbono , tem um aspecto frágil e bem fino, mas por ser feito de nanotubos de carbono entrelaçados, suas aplicações vem sendo cogitadas também na indústria automotiva e aeroespacial. Ele tem excelente flexibilidade, podendo inclusive ser dobrado como papel comum, apesar de ser centenas de vezes mais forte que o aço.

Figura 7.1:Buckypaper

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BIBLIOGRAFIA

TECNOLOGIA DOS NANOTUBOS DE CARBONO: TENDÊNCIAS E PERSPECTIVAS DE UMA ÁREA MULTIDISCIPLINARMarcelo Hawrylak Herbst - Quim. Nova, Vol. 27, No. 6, 986-992, 2004

NANOTUBOS DE CARBONO INTERAGINDO COM VITAMINAS B3 E C: UM ESTUDO DOS PRIMEIROS PRINCÍPIOSVivian Machado de Menezes –

NANOPARTÍCULAS PARA APLICAÇÃO ONCOLÓGICADiana Brito Parreira, Joana Eugenio -

NANOTUBOS DE CARBONO: PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃOOdair Pastor Ferreira –

ESTUDO DA INFLUÊNCIA DE DEFEITOS ESTRUTURAIS NAS PROPRIEDADES DE NANOTUBOS DE CARBONORodrigo Garcia Amorim –

FUNCIONALIZAÇÃO COVALENTE E NÃO COVALENTE DE NANOTUBOS DE CARBONOJohnny Peter Macedo Feitosa -