Fabricação de Cristais Coloidais Utilizando Esferas de Sílica
Nome dos autores: Carmelucia Cardoso da silva1; Alexsandro Silvestre da Rocha2; Denisia Brito Soares 3.
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Aluna do Curso Licenciatura em Física; Campus de Araguaína; email: carme.cardoso@hotmail.com -PIBIC/Permanência
2 Orientador do Curso Licenciatura em Física ; Campus de Araguaína; e-mail: alexsandro@uft.edu.br 3 Co-autora, Técnica do LABMADE; Campus de Araguaína; e-mail: denisiabrito@uft.edu.br
RESUMO
A habilidade de fabricar/controlar estruturas em escalas nanométricas, conhecida como Nanotecnologia, é um dos campos mais promissores atualmente. Há um enorme potencial para a aplicação de dispositivos nanoestruturados. O LABMADE (Laboratório de pesquisa em Materiais para Aplicações em Dispositivos Eletrônicos) emprega a litografia de nanoesferas (LiN) na fabricação de materiais nanoestruturados. A técnica de LiN utiliza cristais coloidais (estruturas porosas periódicas formadas a partir do auto-ordenamento de esferas submicrométricas), como moldes no processo de nanoestruturação de materiais, onde o material nanoestruturado preenche os interstícios da máscara, que é então removida. A LiN só foi possível com o desenvolvimento de sínteses químicas que permitiram fabricar colóides esféricos e monodispersos. Os coloides mais usuais são de polimetilmetacrilato, poliestireno e sílica, com diâmetros entre 50 a 1000 nm. Neste trabalho priorizamos a centrifugação, redisperção e ordenamento de esferas de Sílica com diâmetros variados. A organização dos colóides foi realizada pela técnica de sedimentação gravitométrica sobre substrato de vidro. Palavras-chave: Nanoesferas; Litografia de nanoesferas; Fabricação de cristais.
INTRODUÇÃO
A Litografia de Nanoesferas (LiN) possibilita fabricar nanoestruturas periódicas de baixo custo, pois não há a manipulação direta das nanoesferas; já que elas se auto-organizam sob a ação de forças capilares (DENKOV, 1992), formando estruturas periódicas cúbicas ou hexagonais de médio ou longo alcance, dependendo do refinamento da técnica de ordenamento utilizada. Os processos tradicionais de litografia nanométrica, como por feixe de elétrons, exigem equipamentos caros e sofisticados,
produzindo nanoestruturação apenas na direção do feixe. Outra singularidade da LiN é que a nanoestruturação do material ocorre no plano e perpendicular ao filme, gerando propriedades diferenciadas dependentes da espessura, como o campo coercivo oscilatório de materiais magnéticos porosos (ZHUKOV, 2005).
O processo litográfico empregando esferas em escala nanométrica só foi possível com o desenvolvimento de rotas de síntese química que permitiram fabricar de colóides esféricos e monodispersos (STOBER, 1968; KRIEGER, 1968; MURAMATSU, 2004; MCLACHLAN, 2004). Os coloides monodispersos mais usuais são de polimetilmetacrilato (PMMA), poliestireno (PS), ou sílica (SiO2), com diâmetros entre 50 nm a 1000 nm.
Dentre os maiores benefícios obtidos com a síntese das esferas estão à possibilidade de sintetizar colóides com diâmetros que variam num intervalo relativamente grande e a enorme redução de gastos com a importação de esferas adquiridas comercialmente, já que os materiais utilizados para a síntese são de baixo custo e as técnicas empregadas estão ao nosso alcance.
Grande parte deste trabalho foi dedicado a redisperção das esferas de sílica sintetizadas no LABMADE, em paralelo realizamos cristalização destes colóides em lamínulas de vidro com aproximadamente 30 cm2 de área.
MATERIAL E MÉTODOS
Nanoesferas utilizadas: Os colóides de SiO2 com aproximadamente 400 nm empregados na cristalização foram sintetizados no próprio LABMADE.
Redesperção dos colóides de Sílica: As esferas nanométricas de Sílica são sintetizadas em nosso laboratório pelo método de Stöber (STOBER; FINK; BOHN, 1968), que consiste essencialmente na precipitação de partículas monodispersas de sílica por hidrólise de alcóxidos de silício, e logo após o processo de sintetização os colóides monodispersos devem ser separados dos reagentes restantes e redistribuídos em água. Este processo envolve um longo tempo de centrifugação e “lavagem” das esferas e segue alguns passos; (1) a solução após a sintetização química contendo esferas e monômero não sintetizados é disposta em micro tubos. (2) Os micro tubos são centrifugados a 2000 rpm durante dez minutos. (3) O processo de centrifugação separa o
sólido do líquido que é retirado com o auxílio de uma micropipeta. (4) A mesma quantidade de líquido removido é substituída por água destilada e deionizada (DD). (5) Em seguida os micros tubos são agitados via um agitador mecânico durante 5 minutos e posteriormente é deixado em um banho ultra-sônico (10 minutos).
Todo procedimento de redisperção dos colóides é repetido 15 vezes, podendo levar até duas semanas para “lavar” apenas uma síntese de esferas. Se o processo de “lavagem” não for efetuado com sucesso a reação química continua e os coloides acabam conectados quimicamente.
Fabricação de cristais coloidais: Máscaras bi e tridimensionais de poliestireno são fabricadas em nosso laboratório e usadas como molde no processo de nanoestruturação de materiais. Outro objetivo deste trabalho foi cristalizar esferas nanométricas de sílica utilizando a sedimentação gravitométrica, sobre uma grande área (30 cm2).
Monitoramento da qualidade: A qualidades das máscaras foram monitorada por microscopia ótica (no próprio laboratório) e eletrônica de varredura (na Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os coloides de Sílica com aproximadamente 400 nm de diâmetro foram sintetizados no próprio laboratório. O processo de “lavagem” das amostras de sílica foi realizado conforme especificado em Materiais e Métodos, e como foi destacado, a separação do monômero é importante para evitar a continuidade da reação química e alterar o tamanhos das esferas prejudicando a monodisperção dos colóides, além disto, a concentração de esferas na solução deve ser calculada, para isto a solução é centrifugada novamente, o líquido removido, o sólido pesado com o auxílio de uma balança analítica, e o solvente reposto de acordo com a concentração desejada (aproximadamente 10%). Caso o processo de “lavagem” não for efetuado com sucesso a reação química continua e os colóides acabam conectados quimicamente, como pode ser visto na Figura 01.
Figura 01: A micrografia mostra um aglomerado de colóides de sílica causado pela continuidade da reação química após um processo de lavagem mal sucedido.
Os Cristais Coloidais foram preparados por sedimentação gravitométrica, que consiste em dispor as lâminas de vidro de aproximadamente 30 cm2 horizontalmente, pingar sobre elas entre 2 a 5 ml de solução coloidal e deixá-las secar. Realizamos uma série de testes com diferentes maneiras para reter o líquido com esferas de sílica sobre o substrato. Inicialmente cobríamos a superfície da lâmina com a solução coloidal sem utilizar barreira para reter o líquido, ou seja, usando apenas o efeito de borda para isto, mas qualquer vibração na amostra era suficiente para derramar a solução e inviabilizar o experimento. Testamos ainda condicionar o substrato em um recipiente fechado, cobri-lo completamente pecobri-lo líquido e deixá-cobri-lo secar, mas não funcionou, o experimento que mostrou-se promissor consiste em pintar a borda do substrato com esmalte (criando uma barreira física), com o auxilio de uma micropipeta cobrir vagarosamente a superfície do substrato com a solução coloidal e deixá-la secar dentro de um dessecador. Para garantir um processo de secagem lento às amostras permaneceram fechadas, com o fundo do recipiente preenchido com 1 litro de água (as amostras não entram em contato direto com a água).
A formação da barreira física na borda do substrato foi o único método testado no LABMADE que manteve a solução sobre a lâmina durante todo o processo de secagem (com uma semana de duração). O resultado da sedimentação por esta técnica pode ser observado na Figura 02.
(a) (b)
Figura 02: Imagens de microscopia eletrônica do resultado da sedimentação. (a) Mostra o topo da amostra com um aumento de 10000 vezes e (b) com um aumento de 6000 vezes apresenta um corte transversal na amostra.
Como pode ser visto na Figura 02, ainda não alcançamos o resultado esperado, conseguimos uma grande área de depósito, mas faltou ordenamento e compacticidade, formado um aglomerado amorfo.
A impossibilidade de produzir cristais de qualidade empregando SiO2 sobre vidro pode ser gerada por algumas possibilidades; (1) Vibração durante a secagem, pois a experimento é realizado em uma sala com fluxo de pessoas (não é possível eliminar esta variável por falta de espaço físico para trabalho). (2) Tempo de secagem incorreto, provavelmente rápido de mais. (3) Distribuição não homogenia das esferas sobre o substrato.
Pretendemos alterar o tempo de secagem e criar um filme de óxido sobre a lâmina de vidro para torná-lo hidrofílico e produzir uma distribuição homogenia da solução sobre o substrato.
LITERATURA CITADA
DENKOV, N. D.; VELEV, O. D.; KRALCHEVSKY P. A., et al. Mechanism of
Formation of 2-Dimensional Crystals From Latex-Particles on Substrates. Langmuir. 8, 3183 (1992).
ZHUKOV, A.; GONCHAROV, A. V.; de GROOT, P., et. al. Oscillatory thickness dependence of the coercive field in magnetic three-dimensional antidot arrays from self-assemby. J. Appl. Phys., 97, 10J101 (2005).
STOBER, W.; FINK, A.; BOHN, E. Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in Micron Size Range. Journal Colloid and Interface Science.26, 62 (1968). KRIEGER, M, O’NEILL, F. M. Diffraction of Light by Arrays of Colloidal Spheres. J. Am. Chem. Soc. 90, 3114 (1968).
MURAMATSU, L. V. Obtenção de Partículas Micrométricas para Máscaras de
Litografia. Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, Relatório Final PIBIC – set/2003 a jun/2004. Orientado por D. ZANCHET.
MCLACHLAN, M. A.; JOHNSON, N. P.; DE LA RUE, R. M.; MCCOMB, D. W. Thin film photonic crystals: synthesis and characterisation. J. Mater. Chem., 14, 144 (2004).
AGRADECIMENTOS
"O presente trabalho foi realizado com o apoio do INEO, da Secretaria de Ciências e Tecnologia do Estado do Tocantins e do Laboratório de Sistemas Nanoestruturados.”
