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

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

Alótropos do Carbono Diamante Grafite 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

Descoberta dos fullerenos, 1985 Em 1985, os químicos Harold Kroto, da Universidade de Sussex (Reino Unido), James Heath, Sean O’Brien, 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 C60

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

Dimensão do Nanotubo de Carbono O diâmetro de um nanotubo é de 1 nm largura média do cabelo humano 80.000 nm O DNA possui uma largura de 2,5 nm

Estrutura do Nanotubo Vetor Quiral (Ch) Ângulo Quiral () Diâmetro do Tubo

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

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

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

Nanotubo Quiral, (m,n) Nomenclatura : mn então (m,n) Ângulo Quiral : 0o <  < 30o Propriedade Eletrônica: semimetal n-m=3p semicondutor n-m3p (p é um inteiro) Exemplo: Semimetal: (4,1) dt = 0,36 nm  = 110 (5,2) dt = 0,5 nm  = 160 Semicondutor: (3,2) dt = 0,31 nm  = 00 (4,3) dt = 0,48 nm  = 0,440

Propriedades Mecânicas Modulo de Young (Y) Nos mostra o grado de elasticidade do material. Nanotubo Y ~ 4 x1012 N/m2 Diamante Y = 1,25 x 1012 N/m2 Ferro Y = 0,21 x 1012 N/m2 Aço Y = 0,2 x 1012 N/m2 Aplicações: Compósitos altamente resistentes, fibras de carbono.

Tensile Strenght Resistência a ruptura quando se aplica tensão. Nanotubo 22 x109 N/m2 100 vezes maior!!!!!!!! Aço 44 x 107 N/m2 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.

Alta Condutividade Térmica 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

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

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) Pseudo Potencial Orbitais atômicos Sistemas não periódicos, sistemas com muitos átomos

Estrutura de Bandas do Grafite

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

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

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.

Nanotubos de Carbono - Aplicações Músculos Artificiais

L. A. Terrazos1 and R. B. Capaz2 Alkali Metal Doping of Carbon Nanotubes in the Low-Concentration Regime: Non-Homogeneous Deformations and Defect States L. A. Terrazos1 and R. B. Capaz2 1Centro de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande 2Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro e Divisão de Metrologia de Materiais, Inmetro Experimental Motivation Theoretical Simulation

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

Charge Distribution Parallel Strain Deformation Perpendicular Strain Deformation Strain Deformation Average

Estrutura do Grafeno Grafite Folhas de Grafeno

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

Abstract

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

Ponto de Dirac Estrutura de Bandas do Grafeno

Revisitando o defeito Stone-Wales em Grafeno L. A. Terrazos1 and R. B. Capaz2 1Centro de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande 2Instituto 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.

Defeito Stone-Wales C-CAB = 1.42 Å (grafeno puro) C-Cab = 1.32 Å, C-Cbc = 1,45 Å (defeito Stone-Wales)

Densidade de Estados

Energia de formação do defeito Stone-Wales Energia total do defeito em grafeno Energia total do grafeno puro EfSW 5.61 eV (GGA) 5.14 eV (LDA) 4.8 eV [6] [6] L. Li, S. Reich e J. Robertson, Phys. Rev. B 72, 184109 (2005).

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

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

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

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.

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

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

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

Caracterização de Nanotubos de Carbono Espectroscopia Raman

Nanotubos de Carbono - Aplicações

Nanotubos de Carbono - Funcionalidade

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