COLEÇÃO NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA: PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES NANOESTRUTURAS VOLUME 1 ORGANIZADORES

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1 COLEÇÃO NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA: PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES NANOESTRUTURAS VOLUME 1 ORGANIZADORES Alessandra Luzia Da Róz Fabio de Lima Leite Marystela Ferreira Osvaldo Novais de Oliveira Jr.

2 2015, Elsevier Editora Ltda. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei n o 9.610, de 19/02/1998. Nenhuma parte deste livro, sem autorização prévia por escrito da editora, poderá ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográfi cos, gravação ou quaisquer outros. Copidesque: Wilton Fernandes Palha Revisão: Gabriel Pereira Editoração Eletrônica: Estúdio Castellani Elsevier Editora Ltda. Conhecimento sem Fronteiras Rua Sete de Setembro, o andar Centro Rio de Janeiro RJ Brasil Rua Quintana, o andar Brooklin São Paulo SP Brasil Serviço de Atendimento ao Cliente atendimento1@elsevier.com ISBN ISBN (versão digital): Nota: Muito zelo e técnica foram empregados na edição desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitação, impressão ou dúvida conceitual. Em qualquer das hipóteses, solicitamos a comunicação ao nosso Serviço de Atendimento ao Cliente, para que possamos esclarecer ou encaminhar a questão. Nem a editora nem o autor assumem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas a pessoas ou bens, originados do uso desta publicação. CIP-Brasil. Catalogação na Publicação Sindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ N171 Nanoestruturas/organização Alessandra Luzia da Róz, Fábio de Lima Leite, Marystela Ferreira, Osvaldo Novais de Oliveira Júnior. 1. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, il.; 24 cm. (Nanociência e nanotecnologia: princípios e aplicações) ISBN Nanotecnologia. 2. Nanociência. I. Róz, Alessandra Luzia da. II. Leite, Fábio de Lima. III. Ferreira, Marystela. IV. Oliveira Júnior, Osvaldo Novais de. V. Série CDD: CDU: 620.3

3 SUMÁRIO Dedicatórias Agradecimentos Os organizadores Os autores Apresentação Prefácio Lista de abreviaturas e siglas v vii ix xiii xxi xxiii xxix 1 Conceitos e Princípios Básicos 1 1. Introdução Compreendendo a escala nano e a nanotecnologia Nanociência: passado, conceitos e princípios Política, economia e pesquisa da nanotecnologia Produtos com nanotecnologia no mercado Considerações finais 32 2 Sistemas Supramoleculares Conceitos gerais envolvidos em sistemas supramoleculares Reconhecimento molecular Sistemas auto-organizados Tensoativos e detergentes Micelas: formação e concentração micelar crítica Bicamadas lipídicas e sistemas vesiculares Métodos de preparação de lipossomos e sistema multicamadas Aplicações biomédicas utilizando lipossomos Membranas Celulares: composição química e propriedades Físico-Químicas Sistemas supramoleculares multiciclos 59

4 XXVI NANOESTRUTURAS 3 Síntese Eletroquímica de Materiais Nanoestruturados Introdução Aspectos fundamentais da eletroquímica Processos faradaicos e não faradaicos Células eletroquímicas tipos e definições Síntese de filmes nanoestruturados por eletrodeposição A formação de óxidos por anodização de metais-válvula Anodização em alto campo Auto-organização em óxidos anódicos: a alumina anódica porosa A Síntese eletroquímica de nanotubos de TiO Modificação das propriedades dos óxidos por dopagem anódica Conclusões Filmes Nanoestruturados: Técnicas de Langmuir-Blodgett (LB) e Layer-By-Layer (LBL) Apresentação A técnica de Langmuir-Blodgett (LB) Histórico Descrição da técnica Pressão e potencial de superfície Deposição de monocamadas de Langmuir: taxa de transferência (TR) Aplicações A técnica Layer-By-Layer (LBL) Histórico Descrição da técnica Mecanismos envolvidos na formação de filmes LbL Métodos LbL por spray e rotação Métodos de caracterização Aplicações Considerações Finais Sistemas de Baixa Dimensionalidade: Nanopartículas Introdução Métodos de síntese Métodos top-down (de cima para baixo) Métodos bottom-up (de baixo para cima) Propriedades Métodos de caracterização Difração de raios X DRX Microscopia Eletrônica de Transmissão MET Microscopia de Força Atômica AFM Aplicações Biossensores Catálise 166

5 SUMÁRIO XXVII 5.3. Nanopartículas magnéticas em biomedicina Considerações finais Nanomateriais Magnéticos Introdução Conceitos Básicos Sobre Magnetismo Ferrimagnetismo Ferritas cúbicas Superparamagnetismo Óxidos de Ferro Superparamagnéticos Síntese de óxidos de ferro por coprecipitação Síntese de óxidos de ferro pelo método de decomposição térmica Funcionalização de partículas SPIO e preparação de coloides magnéticos Estrutura e propriedades físico-químicas dos sistemas SPIO Medidas de tamanho e estado de aglomeração Composição e estrutura Morfologia e propriedades de superfície Propriedades magnéticas Aplicações biomédicas Conclusões e perspectivas Nanocompósitos de Matriz Polimérica e Argila Lamelar Nanocompósitos poliméricos Estrutura das argilas lamelares Estrutura dos nanocompósitos poliméricos Métodos de obtenção dos nanocompósitos poliméricos Compatibilização em nanocompósitos com matrizes apolares Nanocompósitos de matrizes polares Estrutura e propriedades Nanocompósitos de matrizes apolares Estrutura e propriedades Considerações finais Fundamentos Matemáticos da Nanotecnologia Introdução Mecânica clássica O formalismo clássico na escala nanométrica Mecânica quântica A energia de sistemas quânticos condição estacionária Estrutura periódica de uma rede cristalina o teorema de Bloch Rede cristalina e rede recíproca Estrutura eletrônica O grafeno O nanotubo de carbono 266

6 CAPÍTULO 3 SÍNTESE ELETROQUÍMICA DE MATERIAIS NANOESTRUTURADOS Francisco Trivinho-Strixino Universidade Federal de São Carlos UFSCar Campus Sorocaba Janaina Soares Santos Universidade Federal de Alfenas UNIFAL-MG Mariana de Souza Sikora Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR Campus Pato Branco Palavras-chave: eletrodeposição de metais; multicamadas metálicas; oxidação anódica; metais válvula; ruptura eletrolítica; plasma electrolytic oxidation; alumina anódica porosa; hard anodization; nanotubos de dióxido de titânio; dopagem anódica. RESUMO Este capítulo aborda, de forma prática, a aplicação de técnicas eletroquímicas de síntese como a eletrodeposição e a oxidação anódica de metais. Alguns aspectos fundamentais da eletroquímica são abordados, e são apresentados exemplos da utilização da técnica de eletrodeposição para obtenção de estruturas metálicas com bi- ou multicamadas em escala nanométrica. Também são descritas técnicas de caracterização do depósito metálico, como a microscopia de força atômica e a microbalança eletroquímica de cristal de quartzo. A síntese de nanoestruturas a partir de óxidos anódicos é abordada, com exemplos de aplicação da alumina anódica porosa e dos nanotubos de dióxido de titânio. A técnica de dopagem anódica pode ser utilizada para modificar as propriedades destes óxidos. Dessa forma, através de explicações simples, em linguagem didática e com o auxílio de figuras com exemplos da literatura, o leitor encontrará um guia básico para síntese de novos materiais na escala nanométrica utilizando métodos eletroquímicos. 63