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Os Nanotubos de Carbono Prof. Dr. Luis Alberto Terrazos Javier Centro de Educação e Saúde da UFCG.

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1 Os Nanotubos de Carbono Prof. Dr. Luis Alberto Terrazos Javier Centro de Educação e Saúde da UFCG

2 O elemento Carbono O sexto elemento mais abundante no Universo tem três estados de hibridização possibilita a formação de estruturas complexas: DNA ou Proteínas

3 Alótropos do Carbono DiamanteGrafite O grafite é o material mais rígido e o diamante é o mais duro O diamante e o grafite apresentam o mais alto ponto de fusão O diamante e o grafite tem a maior condutividade térmica O diamante é isolante e o grafite é condutor da eletricidade O diamante é transparente e o grafite é opaco

4 Descoberta dos fullerenos, 1985 Em 1985, os químicos Harold Kroto, da Universidade de Sussex (Reino Unido), James Heath, Sean OBrien, Robert Curl e Richard Smalley – estes da Universidade de Rice (Estados Unidos) Em 1996, Smalley, Kroto e Curl ganharam o prêmio Nobel de química por essa descoberta C 60

5 Descoberta dos Nanotubos de Carbono, 1991 Em 1991, Sumio Iijima observou com um Microscópio de Transmissão Eletrônica, nanotubos de carbono de multicamada na amostra de fullerenos produzidos via descarga de arco. Em 1993, foi demonstrada a existência de nanotubos de única camada

6 Dimensão do Nanotubo de Carbono O DNA possui uma largura de 2,5 nm O diâmetro de um nanotubo é de 1 nm largura média do cabelo humanocabelo nm

7 Estrutura do Nanotubo Diâmetro do Tubo Ângulo Quiral ( ) Vetor Quiral (C h )

8 (0,0)(1,0)(2,0)(3,0)(4,0)(5,0)(6,0)(7,0)(8,0) (1,1) (2,2) (3,3) (4,4) (5,5) Zig-Zag Arm-chair

9 Propriedades Eletrônicas Ângulo Quiral : = 30 o Nanotubo Arm-chair, (n,n) Nomenclatura : m=n então (n,n) Diâmetro : Propriedade Eletrônica: metal Exemplo: (2,2) d t = 0,3 nm (6,6) d t = 0,8 nm (9,9) d t = 1,2 nm

10 Ângulo Quiral : = 0 o Nanotubo ZigZag, (n,0) Nomenclatura : m=0 então (n,0) Diâmetro : Propriedade Eletrônica: semimetal n-m=3p semicondutor n-m 3p (p é um inteiro) Exemplo: Semimetal: (3,0) d t = 0,23 nm (6,0) d t = 0,5 nm Semicondutor: (4,0) d t = 0,3 nm (8,0) d t = 0,4 nm (10,0) d t = 0,8 nm

11 0 o < < 30 o Ângulo Quiral : Nanotubo Quiral, (m,n) Nomenclatura : m n então (m,n) Propriedade Eletrônica: semimetal n-m=3p semicondutor n-m 3p (p é um inteiro) Exemplo: Semimetal: (4,1) d t = 0,36 nm = 11 0 (5,2) d t = 0,5 nm = 16 0 Semicondutor: (3,2) d t = 0,31 nm = 0 0 (4,3) d t = 0,48 nm = 0,44 0

12 Propriedades Mecânicas Modulo de Young (Y) Nos mostra o grado de elasticidade do material. Nanotubo Y ~ 4 x10 12 N/m 2 Diamante Y = 1,25 x N/m 2 Ferro Y = 0,21 x N/m 2 Aço Y = 0,2 x N/m 2 Aplicações: Compósitos altamente resistentes, fibras de carbono.

13 Tensile Strenght Resistência a ruptura quando se aplica tensão. Nanotubo 22 x10 9 N/m vezes maior!!!!!!!! Aço 44 x 10 7 N/m 2 O tubo se comporta mais como um canudo elástico, pois quando a força externa é removida, os defeitos induzidos pela força se reorganizam e o tubo volta a sua estrutura original.

14 Propriedades Térmicas Alta Condutividade Térmica É um bom condutor de elétrons e do calor Condutividade do calor: Diamante 3320 W/m.K Nanotubo 6600 W/m.K

15 Estudo Teórico dos Nanotubos de Carbono Calculo da Estrutura Eletrônica Equação de Khon-Sham (tipo Equação de Schrödinger Potencial Eletrostático

16 Métodos de Primeiros Princípios Full-Potential Linear Augmented Plane Wave ( FP-LAPW) Teoria funcional da Densidade Potencial total Orbitais atômicos e Ondas Planas como funções de base Espaço recíproco Sistemas periódicos Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms (SIESTA) Teoria funcional da Densidade Pseudo Potencial Orbitais atômicos Sistemas não periódicos, sistemas com muitos átomos

17 Estrutura de Bandas do Grafite

18

19 (10,0)semicondutor (9,0)metal

20 Nanotubos de Carbono - Aplicações Carbon nanotube field effect transistor(Dekker)

21 Nanotubos de Carbono - Aplicações Biocompatíveis São citotóxicos – contato com eles mata as células Uma micrografia de fluorescência mostra células de ovário de hamster ligadas a nanotubos de carbono recobertas com um polímero parecido com mucina.

22 Nanotubos de Carbono - Aplicações Músculos Artificiais

23 Alkali Metal Doping of Carbon Nanotubes in the Low-Concentration Regime: Non- Homogeneous Deformations and Defect States L. A. Terrazos 1 and R. B. Capaz 2 1 Centro de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande 2 Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro e Divisão de Metrologia de Materiais, Inmetro Experimental Motivation Theoretical Simulation

24 Estrutura de Bandas do nanotubo semicondutor (10,0) a) Nanotubo Puro b) Impureza K EFEF EFEF

25 Charge Distribution Parallel Strain Deformation Perpendicular Strain Deformation Strain Deformation Average

26 Estrutura do Grafeno Grafite Folhas de Grafeno

27 Elétrons relativísticos (Dirac ) em sistemas da matéria condensada em 2D Grafeno

28 Abstract

29 Supercélula de 448 átomos, espaço entre os planos é de 20 Å

30 Ponto de Dirac Estrutura de Bandas do Grafeno

31 Revisitando o defeito Stone-Wales em Grafeno L. A. Terrazos 1 and R. B. Capaz 2 1 Centro de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande 2 Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro e Divisão de Metrologia de Materiais, Inmetro O defeito Stone-Wales é um defeito topológico que ocorre em grafeno e nanotubos de carbono. Este defeito é importante tanto no crescimento de fullerenos como no mecanismo de deformação plástica de nanotubos sob tensão. A pesar de extensivamente estudado sob o ponto de vista teórico, ainda há uma considerável variação nas energias e barreiras de formação reportadas. Resultados mais recentes sugerem energias de formação de cerca de 5 eV e barreiras em torno de 9 eV, que tornariam estes defeitos bastante improváveis em grafeno não tensionado.

32 Defeito Stone-Wales C-C ab = 1.32 Å, C-C bc = 1,45 Å (defeito Stone-Wales) C-C AB = 1.42 Å (grafeno puro)

33 Densidade de Estados

34 Energia de formação do defeito Stone-Wales Energia total do defeito em grafeno Energia total do grafeno puro E f SW 5.61 eV (GGA) 5.14 eV (LDA) 4.8 eV [6] [6] L. Li, S. Reich e J. Robertson, Phys. Rev. B 72, (2005).

35 Métodos de Síntese dos Nanotubos de Carbono Deposição química a partir da fase de Vapor (CVD) Metaloceno Fe(CO) 5 Diâmetro 1,69 nm

36 Métodos de Síntese dos Nanotubos de Carbono Deposição química a partir da fase de Vapor (CVD)

37 Métodos de Síntese dos Nanotubos de Carbono Mecanismo de Crecimento Metais de Transição Morfologia similares

38 Caracterização de Nanotubos de Carbono Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) Microscópicos que usam feixe de elétrons em vez de luz. TEM (Transmission Electron Microscopy) estudam a parte transmitida do feixe de elétrons. Informações obtidas: Quiralidade, diâmetro, numero de tubos em um feixe de NUC, numero de paredes e diâmetro interno e externo dos NMC.

39 Caracterização de Nanotubos de Carbono Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM)

40 Caracterização de Nanotubos de Carbono Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) SEM (Scanning Electron Microscopy) estudam a parte refletida do feixe de elétrons Informações respeito a morfologia de NMC e feixes de NUC

41 Caracterização de Nanotubos de Carbono Espectroscopia Raman Fóton incidente Fóton espalhado Determina: Os índices (n,m) diâmetro e quiralidade, a natureza eletrônica dos nanotubos como caráter metálicos e semicondutores

42 Caracterização de Nanotubos de Carbono Espectroscopia Raman

43 Nanotubos de Carbono - Aplicações

44 Nanotubos de Carbono - Funcionalidade

45 Nanotubos de Carbono – Nanoestruturas Nanotubos de paredes duplas Elasticidade de um Nanotubo de parede unica


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