CursoNano(ENEQUIRIO2012)1

(1)

NANOCIÊNCIA &

NANOTECNOLOGIA

A ciência do pequeno

(2)

NANOTECNOLOGIA XXII Semana de química - UERJ

INFORMAÇÕES

IMPORTANTES

(3)

OBJETIVOS

Ao final deste curso, você deverá ser capaz de:



Entender os conceitos de nanociência e

nanotecnologia



Ter noções sobre a física que se aplica ao

nanomundo



Conhecer os principais métodos de produção de

estruturas, dispositivos e sistemas nanométricos



Conhecer as principais técnicas de caracterização

(4)

INTRODUÇÃO

A nanotecnologia compreende o projeto,

caracterização, produção e aplicação de

materiais, dispositivos, sistemas e estruturas

com forma e tamanho na escala nanométrica.

Escala nanométrica ou nanoescala

compreende a faixa de aproximadamente 1-100

nm

(5)

IMPORTÂNCIA

25º Ranking

Crescimento da produção científica entre 1996 e 2006

(6)

IMPORTÂNCIA

Crescimento do número de patentes americanas (1981 a 2006)

Não ocupa posição de destaque no Ranking

(7)

APLICAÇÕES DA NANOTECNOLOGIA

(8)

DIFUSÃO HORIZONTAL DA

NANOTECNOLOGIA

• A nanotecnologia é inserida nas bases:

 Ciência

 Processos produtivos

Por isso é considerada revolucionária e

disruptiva (potencial para modificar todas as

ciências e todos os processos produtivos

(9)

INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA

Desafios

: carros mais leves, mais seguros e

com menor custo

http://goo.gl/1hhTJ

(10)

INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA

Degrau para automóvel produzido a partir de material nanocompósito

Substituição de partes metálicas por

nanocompósitos

•Seria economizados de 1,5 bilhões L de gasolina

•Reduziria emissão de gás carbônico

(11)

INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA

(12)

INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA

Vidros autolimpantes e hidrofóbicos podem eliminar a necessidade de limpadores de parabrisas de carros

Película polimérica com nanopartículas

de TiO₂.

(13)

INDÚSTRIA DE ALIMENTOS

Desafios

: melhoria nas propriedades

mecânicas, de barreira e produtos mais leves

(14)

INDÚSTRIA DE EMBALAGENS

Propriedades de barreira a gases e vapores

(15)

INDÚSTRIA DE SAÚDE

Desafios

: entrega de fármacos em tempo

controlado e em regiões específicas;

membranas superseletivas; implantes com

distribuição de porosidade controlada

(16)

INDÚSTRIA DE SAÚDE

Liberação modificada de fármacos

(17)

INDÚSTRIA DE ELETRÔNICA

Desafios

: produtos menores, mais resistentes

ao calor, mais flexíveis, com condutividade

térmica e elétrica controlada.

(18)

INDÚSTRIA DE VESTUÁRIO

Desafios

: produtos leves, autolimpantes,

hidrofóbicos, autorreparadores e antiodores

(inteligentes).

(19)

INDÚSTRIA DE VESTUÁRIO

Artefato produzido com nanocompósito EVA/mmt com

enchimento de gás hélio

(20)

INDÚSTRIA DE ESPORTE

(21)

INDÚSTRIA DE ESPORTE

(22)

NANOTECNOLOGIA

SPINTRÔNICA

(23)

HISTÓRICO

Nanotecnologia pré-conceitual

Nano Ag e Au

(24)

NANOTECNOLOGIA

HISTÓRICO

Marcos do desenvolvimento da nanotecnologia



Richard Feynman introduziu o tema (1959)



Norio Taniguchi criou o termo “nanotecnologia” (1974)



Gerd Binnig e Heinrich Rohrer inventaram o microscópio

de varredura e tunelamento (1985)

(25)

HISTÓRICO

Marcos do desenvolvimento da nanotecnologia



Pesquisadores da Rice University descobriram os

fulerenos (1985)



Laboratório da IBM em Zurique inventaram o

microscópio de força atômica (1986)

(26)

NANOTECNOLOGIA

HISTÓRICO

Marcos do desenvolvimento da nanotecnologia



Pesquisadores da Rice University descobriram os

fulerenos (1985)



Laboratório da IBM em Zurique inventaram o

microscópio de força atômica (1986)



Sumio Iijima descobriu os NTC (1991)



Surgem os primeiros produtos nanotecnológicos

comerciais (1999)

(27)

http://goo.gl/wQDMH

NANOESCALA

(28)

NANOTECNOLOGIA

NANOESCALA

1 nm = 10-9_m

Uma folha de papel tem cerca de 100.000 nm de espessura

Um fio de cabelo humano tem aproximadamente 80.000 nm de largura

Um átomo isolado de ouro tem cerca de 1/3 de nanometro.

(29)

FÍSICA ÚNICA

Objetos macroscópicos

: física clássica

Mesoescala

: combinação complexa e rica entre

fisíca clássica e mecânica quântica

(30)

NANOTECNOLOGIA

FÍSICA DO PEQUENO

Aspectos importantes:



Efeitos da superfície



Limites entre o mundo macro e o quântico

(31)

IMPORTÂNCIA DA

SUPERFÍCIE

Fenômenos que dependem da natureza da superfície



Atividade catalítica



Resistividade elétrica



Adesão



Revestimentos protetores

(32)

NANOTECNOLOGIA

IMPORTÂNCIA DA

SUPERFÍCIE

A superfície de um material é o limite externo de

qualquer objeto ou substância.

(33)

IMPORTÂNCIA DA

SUPERFÍCIE

A superfícies depende do tamanho e da forma

geométrica do material

Superfície de contato

(34)

NANOTECNOLOGIA

IMPORTÂNCIA DA

SUPERFÍCIE

A superfícies depende do tamanho e da forma

geométrica do material

V = 1 cm

3

(35)

IMPORTÂNCIA DA

SUPERFÍCIE

A superfícies depende do tamanho e da forma

geométrica do material

(36)

NANOTECNOLOGIA

IMPORTÂNCIA DA

SUPERFÍCIE

Átomos superficiais são os responsáveis pela reação

química e forma a interface com o ambiente exterior.

(37)

IMPORTÂNCIA DA

SUPERFÍCIE

(38)

NANOTECNOLOGIA

IMPORTÂNCIA DA

SUPERFÍCIE

O macro ouro é um metal nobre devido a formação

de um filme molecular de óxido de ouro na

superfície

(39)

IMPORTÂNCIA DA

SUPERFÍCIE

Propriedades termodinâmicas

Parâmetros:



Pressão



Temperatura



Volume

Parâmetros na

nanoescala:



Tamanho



Forma



Estrutura



Orientação

(40)

NANOTECNOLOGIA

FÍSICA DO PEQUENO

Superfície de contato

(41)

ENERGIA SUPERFICIAL

Seja na macro ou na nanoescala, os átomos da

superfície ou interface são diferentes dos átomos que

existem no interior do material.

(42)

NANOTECNOLOGIA

ENERGIA SUPERFICIAL

Energi a superficia l 6 6 (6 +6 )-2 =10  Energia coesiva

Alta energia – hidrofílica Baixa energia - hidrofóbica

(43)

Nanopartículas – alta energia superficial

Sistemas de alta energia tendem a buscar estados de baixa

energia

Mecanismos disponíveis para alcançar compensação

energética:



Alta reatividade química



Diminuição do comprimento da ligação



Distorção estrutural anisotrópica (superfícies convexas ou

concavas)



Minimização isotrópica (formação de partículas esféricas)



Agentes de superfície ativa (surfactantes)

ESTABILIZAÇÃO DA

SUPERFÍCIE

(44)

NANOTECNOLOGIA

(45)

MECÂNICA QUÂNTICA

Importante quando o tamanho do material diminui

Dualidade onda/partícula (efeito fotoelétrico)

ENERGIA QUANTIZADA



Propriedades elétricas



Propriedades ópticas

Material condutor torna-se semicondutor

Coloração do material muda

(46)

NANOTECNOLOGIA

INTERAÇÕES QUÍMICAS NA

NANOESCALA



Interações de repusão



Interações de par iônico



Interações íon-dipolo e dipolo-dipolo



Ligações dativas



Ligações de hidrogênio



Atrações de Van der Waals

(47)

INTERAÇÕES QUÍMICAS NA

NANOESCALA

(48)

NANOTECNOLOGIA

INTERAÇÕES QUÍMICAS NA

NANOESCALA

(49)

INTERAÇÕES QUÍMICAS NA

NANOESCALA

(50)

NANOTECNOLOGIA

MÉTODOS DE

CARACTERIZAÇÃO

Microscópio eletrônico de transmissão

Resolução máxima: ~0,5 angstrons

(51)

MÉTODOS DE

CARACTERIZAÇÃO

Microscópio eletrônico de transmissão

(52)

NANOTECNOLOGIA

MÉTODOS DE

CARACTERIZAÇÃO

Microscópio eletrônico de varredura

nanotubo

(53)

MÉTODOS DE

CARACTERIZAÇÃO

Microscópio eletrônico de varredura

(54)

NANOTECNOLOGIA

MÉTODOS DE

CARACTERIZAÇÃO

Microscópio de tunelamento

Máxima resolução: 0,1 Angstrom

(55)

MÉTODOS DE

CARACTERIZAÇÃO

Microscópio de força atômica

(56)

NANOTECNOLOGIA

MÉTODOS DE PREPARAÇÃO

Tecnologias



Bottom-up – tecnologia por meio da qual blocos

fundamentais são usados para construir estruturas maiores.

Construção de baixo para cima.



Top-down – tecnologia que usa métodos de erosão ou

desgaste para produzir blocos de construção ou dispositivos

a partir de uma peça maior. Construção de cima para baixo.

(57)

(58)

NANOTECNOLOGIA

FABRICAÇÃO TOP-DOWN

Método dominante

atualmente

(princípios da física e

engenharia)

(59)

FABRICAÇÃO TOP-DOWN

Moagem (Ball Billing) – Método mecânico

Diminuição do

tamanho de partícula

por atrito mecânico

Característica

:



Larga distribuição de tamanho

(60)

NANOTECNOLOGIA

FABRICAÇÃO TOP-DOWN

Métodos térmicos

Aplicação de fonte

externa de calor

ao processo



Atomização por gás



Atomização eletroidrodinânica

(61)

FABRICAÇÃO TOP-DOWN

Métodos de alta energia

Geralmente, são

métodos que

usam plasma



Descarga de plasma por arco elétrico



Ablação de sólidos por laser

(62)

NANOTECNOLOGIA

FABRICAÇÃO TOP-DOWN

Métodos de fabricação química

Reações químicas



Combustão de material sólido



Ataque químico do silício



Polimento químico-mecânico



Anodização e eletropolimento

(63)

FABRICAÇÃO TOP-DOWN

Métodos de alta energia

Geralmente, são

métodos que

usam plasma



Descarga de plasma por arco elétrico



Ablação de sólidos por laser

(64)

NANOTECNOLOGIA

FABRICAÇÃO TOP-DOWN

Métodos de litografia

Nanoimpressão



Descarga de plasma por arco elétrico



Ablação de sólidos por laser

(65)

FABRICAÇÃO BOTTOM-UP

(66)

NANOTECNOLOGIA

FABRICAÇÃO BOTTOM-UP

Métodos de fase gasosa

Reações que

ocorrem em fase

vapor



Deposição química de vapor



Deposição de camada atômica



Processos de combustão

(67)

FABRICAÇÃO BOTTOM-UP

Métodos de fase líquida

Reações que

ocorrem em

solventes



Automontagem molecular



Química supramolecular



Síntese sol-gel



Deposição eletrolítica

(68)

NANOTECNOLOGIA

COMPARAÇÃO DOS

MÉTODOS

Obtenção do design Aplicação de camada de fotorresistor Exposição ao UV Início com um “wafer”

Top Down Process

Bottom Up Process

Início com um “wafer”

Alteração da área onde um estrutura está sendo criada por adiçao de polímero ou nucleadores de cristais ou outras técnicas Crescimento da estrutura na área determinada

(69)

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS

Compósito*: material formado pela união de

dois componentes de natureza diferentes. Ex: Madeira plástica Polímero/fibra de vidro Definições

(70)

NANOTECNOLOGIA

(71)

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS



Partículas na escala micro ou macro



Fracas forças intermoleculares



Raramente os componentes se ligam quimicamente

Objetivo: Melhorar as propriedes mecânicas e/ou

térmicas do material

Alta razão de aspecto

(72)

NANOTECNOLOGIA

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS

PE ou PP Serragem (pó de serra) Madeira plástica Resina Ftálica,

epóxidos, etc. Fibra de vidro Plástico reforçado _{com fibra de vidro*}

(*) Conhecido simplesmente como FIBRA DE VIDRO ou FIBERGLASS Poliésteres,

epóxidos, etc.

Polímero reforçado com fibra de carbono

Fibra de carbono 10 – 90% (m/m)

> 1 µm

(73)

NANOCOMPÓSITOS

POLIMÉRICOS

Matriz Nanopartícula Nanocompósito

Até 10% (m/m) Uma ou mais dimensões com

(74)

NANOTECNOLOGIA

NANOCOMPÓSITOS

POLIMÉRICOS

INTERAÇÕES INTERMOLECULARES PROPRIEDADES MECÂNICAS PROPRIEDADES DE BARREIRA PROPRIEDADES SUPERFICIAIS CONDUTIVIDADE ELÉTRICA RESISTÊNCIA QUÍMICA ESTABILIDADE TÉRMICA ANTI-CHAMA CONDUTIVIDADE TÉRMICA

Teor de nanocarga < 10%

MELHORIAS SIGNIFICATIVAS

(75)

ÓXIDO DE TITÂNIO ÓXIDO DE ZINCO ÓXIDO DE NIÓBIO ÓXIDO DE ZIRCÔNIO

NANOCOMPÓSITOS

POLIMÉRICOS

(76)

NANOTECNOLOGIA

NANOCOMPÓSITOS

POLIMÉRICOS

Dispersar as nanopartículas (geralmente polar) em uma matriz polimérica (geralmente apolar)

NANO

Tecnologia

Compatibilização

Ordem de adição dos componentes

Método de mistura

DESAFIOS

(77)

O O

CH₃

n

PLA

Narayama et al. Polymer Degradation and Stability 92.1255-1264. 2007

Narayama | Mitsui

+ TiO₂

Efeito da incorporação de TiO₂ organofílico na

fotodegradabilidade do PLLA

Conclusão: a velocidade de fotodegradação pode ser controlada pelo teor de TiO₂ no nanocompósito

(78)

NANOTECNOLOGIA

(79)

APLICAÇÕES EM SISTEMAS DE

LIBERAÇÃO CONTROLADA DE

FÁRMACO

(80)

APLICAÇÕES EM SISTEMAS DE

LIBERAÇÃO CONTROLADA DE

FÁRMACO

Fatores que afetam a liberação do fármaco:

Cristalinidade da matriz

Difusão do fármaco na matriz

Resistência da matriz a erosão

Resistência da matriz ao meio fisiológico

(81)

APLICAÇÕES EM SISTEMAS DE

LIBERAÇÃO CONTROLADA DE

FÁRMACO

Requisito: Os produtos da degradação do

nanocompósito em meio fisiológico devem ser assimilados (metabolizados) de forma a não provocar alterações prejudiciais no organismo

(82)

NANOTECNOLOGIA

O O

n

PCL

Gorrasi et al. Polymer, 44:2271–9. 2003

+ MMT organofílica

Obteram morfologias intercaladas e esfoliadas

.

Via estado fundido Via polimerização in situ

Ambas morfologias diminuem a permeabilidade ao vapor de água, mas o nonocompósito esfoliado tem um efeito mais acentuado

(83)

O O

n

PCL

Gorrasi et al. Polymer, 44:2271–9. 2003

+ MMT organofílica

Obteram morfologias intercaladas e esfoliadas

.

Via estado fundido Via polimerização in situ

Ambas morfologias diminuem a permeabilidade ao vapor de água, mas o nonocompósito esfoliado tem um efeito mais acentuado

(84)

NANOTECNOLOGIA

Efeito da incorporação de argila organofílica na cristalinidade do PLLA e sua influência em propriedades mecânicas

Okamoto et al. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 791. 2004

Okamoto | Toyota

Resistência ao impacto (Izod): 1,6 x maior

Módulo: aumento de até 25%

Conclusão

Teor de argila e sua dispersão, além das condições de processamento, podem controlar as propriedades mecânicas do PLLA.

Tendência

Esses tipos de efeitos da adição de argila foram confirmados em outros sistemas de nanocompósitos.

(85)

Aumento da resistência térmica

(camada que bloqueia o

transporte de calor e massa)

Diminuição da resistência térmica

(a partícula e/ou seus

modificadores podem atuar como catalisador de

degradação) Competição

(86)

NANOTECNOLOGIA

EFEITO DA ADIÇAO DE

NANOPARTÍCULAS

ESTABILIDADE TÉRMICA

PROPRIEDADES DE BARREIRA A GAS

RESISTÊNCIA A TRAÇÃO

VISCOSIDADE DO FUNDIDO

(87)

EFEITO DA ADIÇAO DE

NANOPARTÍCULAS

INTERCALADO _PARCIALMENTE ESFOLIADO ESFOLIADO AGLOMERADO QUALIDADE DA DISPERSÃO

DEPENDENTE DA FORÇA DA INTERAÇÃO

(88)

QUALIDADE DA DISPERSÃO

QUALIDADE DA DISPERSÃO CONCENTRAÇÃO

AUMENTO DOS EFEITOS DE INTERAÇÃO RESISTÊNCIA MECÂNICA

TAXA DE DEGRADAÇÃO ETC

(89)

EFEITO SOBRE A

CRISTALINIDADE

QUALIDADE DA DISPERSÃO

TAXA DE CRISTALIZAÇÃO

(QUANDO ATUA COMO AGENTE NUCLEANTE)

QUANTO MAIOR O GRAU DE CRISTALINIDADE, MENOR A VELOCIDADE DE BIODEGRADAÇÃO

(90)

NATUREZA DA

NANOPARTÍCULA

TAMANHO ATÉ 100 nm TIPO ESFÉRICA LAMELAR

FIBRA (TUBO, FIOS ETC)

COMPOSIÇÃO HIDROFILICA/HIDROFÓBICA METÁLICA/NÃO METÁLICA ORGÂNICA/INORGÂNICA REATIVA/INERTE RESISTÊNCIA NANOTECNOLOGIA

(91)

TAMANHO DA

NANOPARTÍCULA

TAMANHO INFLUENCIA A INTERAÇÃO PARTÍCULA/MATRIZ POLIMÉRICA

TAMANHO DA PARTÍCULA ÁREA SUPERFÍCIAL FORÇA DA INTERAÇÃO (QUANDO COMPATÍVEL)

(92)

TIPO DA NANOPARTÍCULA

TIPO OU FORMA INFLUENCIA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS, ELÉTRICAS, ÓTICAS ETC.

RAZÃO DE ASPECTO

Ex.: nanofibras Ex.: lamelas

Ex.: nanoesferas

(93)

COMPOSIÇÃO DA

NANOPARTÍCULA

QUALIDADE DA DISPERSÃO EM UMA MATRIZ ORGANOFÓBICA

HIDROFOBICIDADE DA NANOPARTÍCULA

(94)

COMPOSIÇÃO DA

NANOPARTÍCULA

ELEMENTOS METÁLICOS PRESENTES NA NANOPARTÍCULA PODEM ATUAR COMO CATALISADORES DE DEGRADAÇÃO. NESTE CASO:

METÁLICO/NÃO METÁLICO

QUALIDADE DA DISPERSÃO

EFEITO DELETÉRIO NA MASSA MOLAR

(95)

COMPOSIÇÃO DA

NANOPARTÍCULA

QUANTO MAIS INORGÂNICO, MAIOR A RESISTÊNCIA MECÂNICA E TÉRMICA

QUANTO MAIS ORGÂNICO, MAIOR A AFINIDADE COM A MATRIZ (FORÇA DA INTERAÇÃO) ORGÂNICO/INORGÂNICO NANOWHISKERS DE CELULOSE (ORGÂNICO) NANO TITANATO (INORGÂNICO)

(96)

COMPOSIÇÃO DA

NANOPARTÍCULA

GRANDE SUPERFÍCIE DE CONTATO AUMENTA A REATIVIDADE

REATIVA/INERTE

TAMANHO DA PARTÍCULA ÁREA SUPERFÍCIAL REATIVIDADE

(QUANDO NÃO INERTE)

PARTÍCULAS REATIVAS ATACAM A MATRIZ POLIMÉRICA EX.: TiO₂ SOB LUZ UV NANOTECNOLOGIA

(97)

COMPOSIÇÃO DA

NANOPARTÍCULA

QUANTO MAIOR A RESISTÊNCIA MECÂNICA DA PARTÍCULA, MAIOR A MELHORIA NA RESISTÊNCIA MECÂNICA (RESISTÊNCIA À TRAÇÃO E MÓDULO ELÁSTICO) DO NANOCOMPÓSITO

RESISTÊNCIA MECÂNICA

NANOTUBOS DE CARBONO: UM DOS MATERIAIS MAIS RESISTENTE JÁ

(98)

Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano - Universidade Federal do Rio de Janeiro

Cidade Universitária . Av. Horácio Macedo, 2.030 . Centro de Tecnologia . Bloco J . CEP 21941-598 . Rio de Janeiro . Brasil