CAPÍTULO III –SÍNTESE 36
III. 5.4 Espectroscopia de Absorção UV-Visível 44
III.6. Resultados e Discussões 44
Sílica de Stöber
O objetivo de sintetizar nanopartículas de sílica utilizando o método de stöber é encontrar um colóide com nanopartículas de diâmetro médio entre 100 e 150 nm e crescer a casca a partir deste colóide. A sílica de Stöber foi escolhida como caroço para a nanocasca porque através desta rota pode-se sintetizar nanopartículas de maneira reprodutível com alto controle na forma e com estreita distribuição de tamanhos. Além disso, métodos de funcionalização já são bem conhecidos na literatura. [20]. Inicialmente, o experimento descrito na seção III.3 foi realizado com o frasco de 60,0 mL livre dentro do banho do ultra- som. A tabela 3.1 mostra o diâmetro médio das nanopartículas obtidas a partir de seção III.3.
33 Tabela 3.1 Variando o volume de hidróxido de amônia obtém-se nanopartículas de sílica com diferentes tamanhos.
Amostra Amônia Saturada
(mL)
Etanol (mL) TEOS (mL) Diâmetro Médio (nm) (EDL) Diâmetro Médio (nm) (MEV) 1 4,00 50 4 186 ± 51 150 ± 34 2 4,75 50 4 298 ± 61 263 ± 56 3 5,25 50 4 320 ± 72 288 ± 66 4 6,00 50 4 450 ± 97 387 ± 84
A amostra 1 da tabela 3.1 está próxima do diâmetro desejado, entretanto, suas imagens e seu histograma (ver figura 3.3), mostram a indesejada polidispersividade do colóide, onde na figura 3.3(b) vê-se claramente que a distribuição de tamanhos não ajusta-se bem a uma log-normal. O histograma foi construído com a contagem de 445 nanopartículas.
Figura 3.4: (a) micrografia eletrônica de varredura e histograma da amostra 1 da tabela 3.1. O fato descrito na figura 3.4 repetiu-se nas outras amostras. A figura 3.5 mostra as imagens e os respectivos histogramas das amostras 2, 3 e 4 da tabela 3.1. Os histogramas foram construídos a partir da contagem de 716 nanopartículas para a amostra 2, 690 nanopartículas para a amostra 3 e 677 nanopartículas para a amostra 4.
50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 35 Fre quênci a Diâmetro (nm) (b) (a) 45
A partir dos dados obtidos nas figuras 3.4 e 3.5 foi atribuído a polidispersividade das amostras ao fato do frasco, onde ocorre a síntese da nanopartícula de sílica, ficar livre dentro do banho do ultra-som. Dentro das duas horas da síntese, com o frasco está solto, ele pode “caminhar” pelo ultra-som experimentando várias intensidades em cada região, ocasionando a grande dispersão de tamanho no colóide. Para confirmar tal hipótese o experimento foi repetido, mas desta vez, com o frasco preso por um conjunto contendo uma garra e um suporte universal.
Figura 3.5. (a), (c) e (e) representam a micrografia eletrônica de varredura das amostras 2, 3 e 4 da tabela 3.1. (b), (d) e (f) representam os histogramas das amostras 2, 3 e 4 respectivamente.
200 300 400 500 600 700 0 5 10 15 20 25 30 35 F requ en ci a Diâmetro (nm) 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 0 10 20 30 40 Fr equênci a Diâmetro (nm) 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 5 10 15 20 25 30 35 Freq uên cia Diâmetro (nm) (f) (d) (b) (a) (c) (e)
35 Após a repetição do experimento foi possível construir a tabela 3.2. A partir da análise de EDL o colóide número 3 da tabela 3.2 foi o escolhido para a microscopia de transmissão e para o crescimento da nanocasca de ouro, pois, já há uma rota de síntese bem estabelecida na literatura utilizando um núcleo com diâmetro semelhante [20]. As imagens da figura 3.6 mostram a imagem de microscopia eletrônica de transmissão do colóide de sílica. A figura 3.6 (a) mostra a ausência de agregados ou floculações. O histograma da figura 14 foi feito a partir da contagem de mil partículas no software Image Pro Plus. Com a escolha da amostra 3 ta tabela 3.2 as outras etapas para o crescimento da casca foram iniciadas.
Tabela 3.2: Novo experimento da síntese de Stöber utilizando o frasco fixo no ultra-som. Amostra Amônia
Saturada (mL)
Etanol (mL) TEOS (mL) Diâmetro Médio (nm) (EDL) Diâmetro Médio (nm) (MET) 1 3,50 50 4 93,5 ± 25 2 3,75 50 4 130,0 ± 29 3 4,00 50 4 146,0 ± 28 120 ± 21 4 4,25 50 4 162,0 ± 35 5 4,5 50 4 184,0 ± 42 5 4,75 50 4 226,0 ± 50 47
Figura 3.6: (a), (b) imagens de microscopia eletrônica de transmissão amostra 3 da tabela 3.2. (c) Distribuição de tamanho do colóide. Imagens realizada a partir de um FEI Morgagni 268D de 100 kV.
Funcionalização do Colóide de Sílica
Assim como o TEOS, o APTMS também é um alcóxido. Devido a devido à forte polarização da ligação oxigênio-silício o APTMS sofre hidrólise na presença de água. Por isso, ao contrário da maioria dos artigos publicados na literatura [11,15,17,20,22], na seção III.3, foi feito um pó da sílica e em seguida adicionado tolueno ao pó. Tolueno é um solvente orgânico apolar que tem a característica de ser imiscível com a água. Através da adição desta etapa orgânica espera-se evitar a presença de água, afastando a possibilidade que haja hidrólise mútua entre as moléculas de APTMS e conseqüentemente, após a implantação das nanopartículas de ouro, obter uma nanoilha sem agregados. O crescimento da nanocasca depende de uma boa distribuição espacial das nanopartículas de ouro na superfície da sílica.
40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0 20 40 60 80 100 F re quênc ia Diânmetro (nm) (c) (b) (a)
37 Quanto mais distante uma partícula ficar da outra pior será o controle do crescimento da casca. Esta etapa é muito importante, pois, a análise das propriedades de óptica não linear é feita usando-se o modelo de Maxwell-Garnet, onde se supõe que as partículas estão distribuídas de maneira uniforme no hospedeiro [40].
Para calcular a concentração de nanopartículas utilizou-se uma alíquota de sílica funcionalizada (10,00 mL) que foi levada ao forno por 6 horas a 70 ºC para evaporar todo o etanol. Em seguida, a temperatura foi elevada a 800 ºC para destruir as moléculas orgânicas ligadas à superfície da nanopartícula de sílica. Levando-se em consideração a densidade das nanopartículas de sílica 2,00 g/cm3 [41] e o volume ocupado por uma nanopartícula obtêm a
concentração de nanopartícula do colóide, 51011 nanopartículas por mL.
O controle rigoroso da funcionalização do APTMS deve ser feito e a troca do etanol para o tolueno é fundamental, pois garante que não haverá água nesta etapa. A hidrólise entre moléculas do APTMS neste momento pode gerar nanoilhas agregadas ou prejudicar a implantação das nanopartículas de ouro na superfície da sílica, deixando prejudicada a etapa crescimento. Observando a figura 3.10 observa-se que o colóide obtido não está agregado e mostra as nanopartículas de ouro bem distribuídas na superfície da nanopartícula de sílica.
Síntese das Nanopartículas de Ouro
As nanopartículas de ouro sintetizadas pelo método modificado de Henglein e Giersig [38] tem diâmetro aproximado de 2,40 nm (± 0,3 nm). A figura 3.7 mostra uma micrografia eletrônica de transmissão da amostra. O histograma mostrado na figura 3.8 foi feito contando 500 partículas aproximadamente. A nanoilha é um material nanoestruturado intermediário entre a nanopartícula de sílica e a casca. Por isso, este material necessita preencher alguns requisitos para a formação da NCM. Além dos fatores já foram citados anteriormente, o diâmetro das nanopartículas de ouro necessitam ser regulares e o menor possível. Pois, estas servirão como sítios de crescimento da NCM.
Em geral para se obter nanopartículas metálicas, sais metálicos são reduzidos na presença de um agente estabilizante que está no meio reacional. A temperatura é outro parâmetro importante neste tipo de síntese. De acordo com a energia cedida ao sistema pode-
se chegar um colóide com maior ou menor tamanho e com distribuição de tamanhos larga ou estreita. Para sintetizar colóides com estreita distribuição de tamanho é fundamental que o processo de nucleação ocorra rapidamente e forme todos os núcleos ao mesmo tempo. Caso contrário, núcleos formados em instantes de tempos muito diferentes dão origem a colóide com distribuição de tamanhos heterogênea. Pois, os núcleos formados primeiros crescem rapidamente consumindo todos os íons disponíveis. Aos outros núcleos sobram poucos íons, desta maneira eles darão origem a nanopartículas menores do que as primeiras. A estabilização de tais sistemas pode ocorrer de duas formas; estabilização por cargas e estabilização estérica (usando polímeros).
Devido ao seu alto poder de redução usou-se borohidreto de sódio para reduzir os íons de ouro presentes no meio reacional e PVP-55000 como agente passivante. O uso do NaBH4 é
fundamental pois, este agente redutor promove a rápida redução dos íons de ouro presentes no meio reacional contribuindo para a formação de um colóide monodisperso. Com o seu alto peso molecular médio, o PVP promove uma estabilização estérica do sistema impedindo o coalescimento das nanopartículas. A grande vantagem desta rota de síntese foi a obtenção de nanopartículas de ouro estáveis e monodispersas à temperatura ambiente. Depois de ligadas a sílica funcionalizada este será um fato determinante para a obtenção de NCM com tamanho regular.
Figura 3.7: Micrografia das nanopartículas de ouro. Imagem realizada a partir de um FEI Tecnai20 de 200 kV. Nanopartícula de ouro
39 0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80 F requênc ia Diâmetro (nm)
Figura 3.8: Histograma do colóide de ouro com diâmetro médio de, aproximadamente, 2,40 nm ( ±0,3 nm).
Formação das Nanoilhas
Para o crescimento da casca é de extrema importância que a superfície das nanopartículas de sílica esteja o mais coberta possível por nanopartículas de ouro e distribuídas uniformemente. Nesta condição (de saturação) mesmo que mais colóide de ouro seja adicionado ao sistema não haverá a possibilidade das nanopartículas de ouro ficarem presas na superfície da nanopartícula de sílica, ou seja, todo o colóide de ouro que for adicionado no sistema estará no sobrenadante. Para confirmar esta hipótese foi feita uma medida de absorção do sobrenadante e comparado com a absorção do colóide de ouro. Constatou-se que após repetir o ciclo por 2 vezes o espectro de extinção do sobrenadante estava muito parecido com a absorção do colóide de ouro, no último ciclo a amostra foi suspensa em água e então uma amostra foi retirada diluída e levada ao microscópio de transmissão. A figura 3.9 ilustra a absorção do colóide de ouro e os respectivos espectros de absorção do sobrenadante. As imagens das nanoilhas formadas e prontas para o crescimento da casca são mostradas na figura 3.10.
300 400 500 600 700 800 0,0 0,6 1,2 1,8 Abs orbânc ia Comprimento de onda (nm) coloide de ouro 1 º sobrenadante 2º sobrenadante 3º sobrenadante
Figura 3.9: Espectro de extinção dos três sobrenadantes e do colóide de ouro.
Figura 3.10: (a), (b) micrografia de transmissão das nanoilhas mostrando boa uniformidade na distribuição das nanopartículas de ouro. Imagens realizada a partir de um FEI Morgagni 268D de 100 kV.
41
Crescimento da Casca
O espectro de extinção da figura 3.11 mostra as etapas de crescimento da amostra de NCM. Cada espectro representa uma medida em diferentes instantes. O tempo zero é considerado assim quando a barra magnética é desligada após os 4 minutos de agitação. Uma alíquota de 3,00 mL foi retirada para a análise do crescimento da casca no espectrofotômetro descrito em II 6.4.
Figura 3.11: Espectros de absorção UV-Visível de nanocascas de ouro durante o curso da reação mostrando as mudanças no máximo de absorção do plasmon. Cada segmento de reta indica a posição do pico da ressonância plasmônica (cubeta 10 mm).
A banda espectral larga que ocupa a região de aproximadamente 500 nm a 900 nm é devido à ressonância de plasmons superficiais. Para a curva no instante 120 mim, na região de aproximadamente 580 nm há um leve ombro este ombro é devido a oscilações de quadrupolo elétrico que tratou o capítulo II desta dissertação. A RPS atinge o máximo do deslocamento 120 minutos depois de cessada a agitação magnética neste instante o pico da ressonância plasmônica está em 716 nm. A micrografia da figura 3.12 mostra as imagens da nanocasca metálica obtida através de microscopia eletrônica de transmissão.
A partir das micrografias da figura 3.12 pode-se observar uma boa distribuição de tamanho das nanocascas, bem como a ausência de agregados estando as NCM bem separadas.
Entretanto, no colóide existe outra população de partículas de ouro que foram formadas no processo de crescimento da nanocasca. Para a purificação da amostra foi utilizada uma solução de 2 mM de PVP 55000. Assim as nanopartículas menores são estabilizadas mais eficientemente que as NCM e utilizando o processo de centrifugação é possível obter um colóide com o mínimo de nanopartícula de ouro.
Figura 3.12: Micrografia eletrônica de transmissão mostrando a homogeneidade das nanocascas metálicas (NCM), a não agregação das partículas e as pequenas partículas de ouro (Au), (a), (b), (c). Micrografia de apenas duas nanocasca de ouro, em (d). . Imagens realizada a partir de um FEI Morgagni 268D de 100 kV.
O colóide contendo as NCM com as pequenas partículas de ouro é inicialmente centrifugado a 4120RCF por 30 minutos e suspenso na solução de PVP descrita acima. Este ciclo de centrifugações repetiu-se por 4 vezes. Na última suspensão o colóide é suspenso no volume inicial de água (25,00 mL). O sobrenadante foi guardado num frasco limpo e centrifugado a 2000 RCF por 10 minutos; em seguida a amostra foi suspensa em 25,00 mL de água. A figura 3.13 mostra as nanocascas metálicas após a purificação, com a contagem de 284 NCM foi possível construir o histograma da figura 3.13 (e) se ajustando uma log-normal
NCM Au NCM Au NCM Au (a) (b) (c) (d)
43 para a distribuição. O diâmetro médio obtido foi 160 nm (± 16 nm). Sendo o núcleo com diâmetro médio de 120 nm, a nanocasca metálica da figura 3.13 tem uma espessura média de 20 nm. Os espectros da figura 3.14 mostram a absorção do colóide de casca antes e depois da purificação.
Figura 3.13: (a), (b) e (c) nanocascas de ouro depois da purificação. Micrografia eletrônica de transmissão (FEI Tecnai20 de 200 kV) demonstrando a bem sucedida purificação. Em (d) pode-se observar a completude do crescimento da nanocasca. Micrografia eletrônica de varredura (e) mostrando a rugosidade em duas nanocascas de ouro. Histograma da nanocasca de ouro.
120 140 160 180 200 0 5 10 15 20 F requ ênc ia Diâmentro (nm) (e (e) (b) (d) (a) (c) 55
Na figura 3.14 estão as absorções da figura 3.13 normalizadas. Desta maneira é possível observar melhor as diferenças entre os dois espectros. Percebe-se uma maior mudança para o vermelho na amostra purificada. Como foi discutido no Capítulo II, a absorção das NCM é dependentes do meio ao redor. Depois da purificação provavelmente existe adsorvido na superfície das nanocascas um pouco de PVP e isto contribui para o deslocamento do centro da banda. A curva azul tem uma largura a meia altura de aproximadamente 276 nm, enquanto que a curva da mesma amostra depois da purificação mostra uma largura a meia altura de aproximadamente 300 nm. Provavelmente, por conta da grande quantidade de nanopartículas de ouro na amostra antes da purificação, este espectro tem uma largura a meia altura menor que depois da purificação. Este alargamento pode ser atribuído às características das NCM abordadas no capítulo II, tais como distribuição de tamanhos e espessura das nanocascas. Outro processo que pode contribuir para o alargamento de linha da ressonância plasmônica é a rugosidade da casca. Quanto mais rugosa a casca maior será os processos colisionais e estes por sua vez contribuem para tal alargamento.
300 450 600 750 900 1050 1200 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Abs orbânc ia Normal iz ada Comprimento de Onda (nm)
Figura 3.14: Espectros de absorção normalizados entre a amostra antes (azul) e depois da purificação (vermelho). Na técnica de varredura Z, que será estudada mais detalhadamente no próximo capítulo, utiliza um laser em 1560 nm com alta taxa de repetição para determinar as propriedades ópticas não lineares das nanocascas metálicas. Este tipo de laser pode provocar o surgimento de efeitos térmicos na amostra e pode ocultar os efeitos não lineares. Por isso fez-
45 se necessário mudar o hospedeiro das NCM para outro que minimize estes efeitos, pois a água tem um pico de absorção na região do comprimento de onda do laser empregado. O novo hospedeiro escolhido foi o clorofórmio visto que este reagente não tem absorção na região de 1560 nm. A figura 3.15 mostra a absorção da NCM em água e em clorofórmio. Para mudar de hospedeiro as nanocascas metálicas foram centrifugadas e suspensas da seguinte maneira; inicialmente centrifugou-se o colóide a 4125 RCF por 15 minutos, em seguida, o mesmo é suspenso em etanol. Uma vez em etanol, quatro centrifugações a 4000 RCF por 15 minutos foram realizadas com a intenção de eliminar a presença da água, a suspensão sempre ocorreu em etanol. Após as quatro centrifugações com etanol, mais quatro centrifugações em clorofórmio foram realizadas para garantir a total ausência do etanol, visto que o etanol também possui absorção na região do laser. Na figura 3.15 observa-se a importância do hospedeiro para a nanocasca de ouro. O pico de absorção de plasmon passou de aproximadamente 714 nm para 839 nm. Além disso, o clorofórmio promoveu um alargamento da RPS, enquanto a amostra em água possui uma largura a meia altura de aproximadamente 300 nm, as nanocascas de ouro em clorofórmio apresentam uma largura a meia altura de aproximadamente 640 nm.
Figura 3.15: Espectro de extinção da amostra na água (vermelho) e no clorofórmio (preto) (cubeta de 10 mm).