Transferência direta a seco (Direct Dry Transfer – DDT)

A técnica Direct Dry Transfer (DDT) [12] possibilita transferências de grandes áreas de grafeno-CVD para filmes poliméricos, mas a sua principal vantagem frente às técnicas abordadas anteriormente está na exclusão de ataques químicos ao metal, o que previne vestígios de metal. O processo, ilustrado na Figura 11, consiste em promover contato direto entre o grafeno depositado na folha metálica e o polímero em questão, em condições de temperatura adequada, usualmente em valores acima da temperatura de fusão de cada polímero. O contato é acrescido por pressão moderada aplicada por uma prensa hidráulica de aquecimento. Em seguida, é dado o arrefecimento do conjunto polímero-grafeno-metal para que a folha metálica seja removida manualmente no final do processo. A qualidade e a quantidade de grafeno transferido dependem fortemente da estrutura química do polímero, da fonte de grafeno CVD e, principalmente, das propriedades reológicas dos polímeros, de acordo com ajuste de viscosidade adequada.

Figura 11. Representação esquemática da técnica de transferência direta a seco (DDT) [12].

A transferência polímero-grafeno só é permitida porque a interação superficial entre ambos os materiais é mais forte do que aquela exibida entre polímero-metal, promovendo a adesão entre os constituintes. Nessa técnica, controlar a viscosidade do polímero fundido através da pressão ou do aquecimento se demonstrou uma abordagem razoável para aumentar o grau de transferência de grafeno. Entre os fatores que influenciam essa abordagem, podem ser citadas as estruturas químicas, as propriedades reológicas dos polímeros e as propriedades de superfície dos materiais envolvidos no processo de adesão na transferência. A maior dificuldade, contudo, está relacionada com a expansão do tipo de transferência para diferentes substratos, tais como os tridimensionais. Isso viabilizaria, de fato, a aplicação dessa tecnologia de transferência nos mais diversos campos industriais.

3 ESTUDO DAS PROPRIEDADES DE SUPERFÍCIE DE MATERIAIS 2D

Este capítulo contém um levantamento bibliográfico sobre a importância do estudo das propriedades de superfície dos materiais bem como os resultados obtidos referentes à molhabilidade (hidrofobicidade/hidrofilicidade), transparência da molhabilidade, valores de energia livre de superfície (ELS) e das componentes polares e dispersivas do grafeno CVD, quando depositado em diferentes substratos, tais como wafer de silício, silício com camada de 300 nm de dióxido de silício (Si/SiO2), nitreto

de silício sem camada de óxido (Si3N4) e vidro. Foi realizada uma análise dos substratos

expostos ao ambiente comum, após processo de transferência, e também após essas amostras serem submetidas à etapa de tratamento térmico em atmosfera inerte para eliminação de contaminantes adsorvidos nas superfícies decorrentes de processos de oxidação durante exposição ao ar atmosférico.

A ciência das superfícies estuda fenômenos físicos e químicos ocorridos entre fases distintas, ou seja, busca a compreensão sobre como é o comportamento e as características dos átomos e das moléculas alocados numa superfície ou interface. Essa interface pode ser composta por sólidos, líquidos, gases ou pela combinação desses estados físicos da matéria. Em geral, interfaces são regiões com elevado acúmulo de energia devido à presença de ligações intermoleculares interrompidas. Essa energia, conhecida como energia de superfície (𝛾) é definida como uma medida de energia por unidade de área (J/m2 ou N/m) e está relacionada com o número de átomos que compõem as superfícies, sendo proporcional à área superficial dos materiais. Assim, interfaces que são consideradas como estados ou fases parcialmente indefinidas, estando os átomos superficiais em constante desequilíbrio de forças, formam agregações atômicas com sistemas de composições químicas bastante variáveis [43].

As propriedades de superfície dos materiais são importantes para a compreensão de uma ampla variedade de fenômenos, como o estudo do atrito e do desgaste, da união de materiais por diversos processos, das reações químicas em catálises e de processos de oxidação e corrosão. Superfícies poliméricas têm sido investigadas para aplicações industriais e biológicas, como é o caso de implantes dentários e próteses corporais. Nesses casos, são realizadas modificações superficiais dos polímeros de modo a se obter controles interfaciais para atingir características como capacidade de ligação e compatibilidade entre os materiais [44].

De acordo com o principio de menor energia, a natureza tende a estabelecer um estado mínimo energético nos sistemas e, por isso, são formadas regiões interfaciais. Considerando um sistema imiscível bifásico, líquido e vapor (ar), por exemplo, a região de interface apresenta descontinuidades dado um desequilíbrio de forças intermoleculares, conforme a Figura 12. Nesse caso, forças atuando sobre duas moléculas, uma alocada no interior do líquido e outra na sua superfície apresentam diferentes somatórias vetoriais das forças atrativas atuantes em ambos os sistemas. No caso da molécula contida no seio do líquido, as somas dos vetores de força constituem um equilíbrio de resultante vetorial nulo, pois são iguais em todas as direções. Em contrapartida, para a molécula localizada na superfície (interface líquido-vapor), existem forças resultantes atrativas direcionadas apenas para o interior do líquido, gerando um desequilíbrio no sistema, uma vez que moléculas superficiais tendem a migrar para o interior do líquido e formam uma espécie de membrana elástica muito fina sustentada pela tensão superficial.

Figura 12. Representação das forças atuantes em átomos e moléculas na superfície e no interior de um líquido em um sistema líquido-vapor.

A formação de gotas líquidas com formato curvilíneo está relacionada com o fato de que a interface esférica garante a menor área de contato com o meio, conforme observado na Figura 13. Nesse sistema líquido-vapor, a concentração de moléculas da fase vapor é tão baixa que pode ser considerada como desprezível. Por isso, átomos e moléculas da superfície criam regiões altamente energéticas, fazendo com que a diferença entre a energia dos componentes alocados na superfície e aqueles do interior

dos materiais seja denominada como energia livre de superfície ou tensão interfacial [43].

Figura 13. Processo de encurvamento de superfícies líquidas num sistema líquido-vapor com tendência à formação de gotas esféricas.

Tratando-se de materiais em diferentes escalas, desde a ordem de micrômetros até nanômetros, o estudo das propriedades de superfície é uma tarefa bastante desafiadora e complexa, pois envolve a compatibilidade do material com o ambiente no qual estará inserido quando aplicado. No caso de revestimentos, a determinação de fatores como interações entre cargas superficiais, hidrofobicidade e molhabilidade é crucial na etapa de fundamentação de conceitos teóricos e experimentais [45]. Frequentemente, os estudos da molhabilidade e da adesão de superfícies estão associados a medidas de ângulo de contato utilizando diferentes líquidos, o que viabiliza o estudo do modo de interação físico-química de substâncias líquidas com propriedades intrínsecas com substratos sólidos. Para materiais 2D, a compreensão de fenômenos de molhamento permite estudar as propriedades de superfície, já que, por um lado, esses materiais se encontram depositados em um substrato sólido enquanto que a sua outra face se mantém exposta à atmosfera ambiente durante a sua aplicação [5].