Introdução: Interdisciplinaridade e novas fronteiras - Nanotubos de carbono. - Microscopias de Ponta de Prova: fundamentos e aplicações -AFM -STM MEMS, NEMS e Nanotribologia.

Nanotubos de carbono: . Introdução . Produção . Purificação . Propriedades . Potenciais Aplicações

C-C sp2  distância interatômica: 1.42 Å Grafite  distância interplanar: 3.35 Å

Diamante: carbono sp3 C60 : Carbono sp2

Imagens TEM de filamentos de grafite - M. Hillert and N. Lange, The structure of graphite filaments, Zeitschr. Kristall 111(1958) 24 Imagens TEM de filamentos de grafite - T.V Hughes and C.R. Chambers, US Patent 405.480 (1889) fibras de carbono

A. Oberlin, M. Endo, T. Koyama, J. Cryst. Growth 32 (1976) 335 Carbono amorfo Fibras de carbono produzidas por pirólise de benzeno e ferroceno a 1000o C. A. Oberlin, M. Endo, T. Koyama, J. Cryst. Growth 32 (1976) 335

Paredes múltiplas (MWNT) Parede simples Single wall (SWNT)

1985: Descoberta dos fullerenos; H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O 1985: Descoberta dos fullerenos; H.W. Kroto, J.R. Heath, S. C. O. Brein, R.E. Smaley, Nature 318 (1985) 162. 1991: Observação dos nanotubos de carbono multi-wall por S. Ijima, Nature 354 (1991) 56.

Vetor chiral (perpendicular ao eixo do tubo: Nanotubos: Estrutura Folha de grafeno Ch a1 a2 Vetor chiral (perpendicular ao eixo do tubo: Ch = na1 + ma2

a1 = a3/2 x + a/2 y a2 = a3/2 x - a/2 y , com a = 2.46 Å cos  = ângulo entre o vetor chiral e a direção zig-zag

Nanotubos: Estrutura diâmetro do nanotubo: d = a 3 (m2 + mn + n2 )1/2 /  Com a  1.42 Å (grafite) < a < 1.44 Å (C60) ângulo chiral  = 0, (m,n) = (p,0) zigzag  = ± 30, (m,n) = (2p,-p) ou (p,p) armchair p é um número inteiro

Nanotubos: Estrutura

Imagem de STM de dois nanotubos chirais

Nanotubos: Estrutura

Nanotubos: semicondutores e metálicos Singularidades de Van Hove

Nanotubos paredes múltiplas: abertos ou fechados?

A= pentágono e B = heptágono

Produção de Nanotubos de carbono . Arco catódico . Ablação por laser . Deposição Química na Fase Vapor (CVD) . Pirólise . Eletrólise

Arco Catódico . Método Kratschmer-Huffman para produção de C60 modificado. . Catodo de grafite mais espesso que o anodo, também de grafite. . Redução da temperatura é importante para o crescimento de nanotubos.

Distância entre anodo e catodo menor que 1 mm Arco Catódico Gás: He Pressão: 400-700 torr Voltagem DC: 20-30 V Corrente: 50-100 A Distância entre anodo e catodo menor que 1 mm

Crescimento dos nanotubos C2 é responsável pela formação dos MWNT

Catalizadores metálicos: SWNT Misturas de Ni-Y : 90% SWNT com raio médio de 1.4 nm C. Journet et al. , Nature 388(1997) 756

metal

. Síntese de Single wall nanotubes (SWNT). Ablação por laser . Síntese de Single wall nanotubes (SWNT). . Alto grau de pureza. . Nd/Yag, laser de excímeros e laser de CO2 . Uso de catalisadores metálicos. . Produção em pequenas quantidades.

Ablação por laser Gás: Argônio Temperatura: 800-1200oC

catalisador: filmes finos de Ni tratados térmicamente DC-PECVD catalisador: filmes finos de Ni tratados térmicamente

Influência da espessura do filme catalisador

Influência da temperatura

Influência da tensão de polarização

Nanotubos multi-wall alinhados

Mecanismo de crescimento na superfície: C2H2  2C + H2

Mecanismos de crescimento Difusão no volume

Mecanismos de crescimento Difusão superficial

Carbono difunde ao longo dos planos (100) do Fe e cristaliza no lado oposto do grão catalisador. HREM

Mecanismos de crescimento Difusão no volume

Microwave- PECVD

Hot Filament -PECVD

Eletrólise

Nanotubos alinhados M. Terrones, Nature 388(1998) 53.

Nanopartículas de Co Laser Nd:YAG ( 266nm) Co/ silica M. Terrones, Nature 388(1998) 53.

SEM images

Distância entre planos 3. 4 Å imagem TEM Distância entre planos 3. 4 Å

Processos Homogênos: Spray-pirólise

Processos em escala industrial: HiPCo: (High pressure carbon oxide) reação na fase gasosa usando Fe(Co)5 para obter SWNT – Carbon Nanotechnologies Inc. (Houston, TX) SWNT- arc MWNT-CVD

Métodos de Purificação . Oxidação na fase líquida . Oxidação na fase vapor . Filtração . Cromatografia Objetivos: remover o catalisador (ácidos) remover o carbono amorfo (oxidação)

Partícula metálica removida Estabilidade dos nanotubos x C60 Partículas metálicas