O Impacto de Novas Formas de Carbono na Ciência e Tecnologia de Materiais Glaura Goulart Silva glaura@qui.ufmg.br http://materiaispolimericos.qui.ufmg.br Sumário 1. Introdução à Ciência de Materiais e Nanotecnologia 2. Nanotubos de carbono Nanocompósitos 3. Propriedades - Elétricas - Mecânicas Tapete de NT alinhado impregnado com poliéter 4. Questões sociais e ambientais
Ciência de Materiais Interdisciplinar: Área de sobreposição da química, física e engenharia (no caso dos biomateriais da biologia). O tetraedro da Ciência de Materiais Síntese e Processamento Desempenho Estrutura e composição Propriedades Ciência de Materiais Metais Cerâmicas Polímeros Semicondutores Ou ainda Vidros Materiais de origem natural Biomateriais Compósitos Nanomateriais (Química de Materiais) Modelagem Extração e SínteseS Processamento Estrutura metodologias de análise estrutural Propriedades Químicas, Térmicas, T Mecânicas, Elétricas, Catalíticas, ticas, etc. Desempenho Reciclagem
Nanotecnologia Campo de ciência aplicada e tecnologia associada com o controle da matéria em escala atômica e molecular (<100 nm). Produção de dispositivos e materiais cujas propriedades dependem de estruturas de dimensão nanométrica. Relação Superfície -Volume Esfera de raio R Superfície S = 4πR 2 Volume V = 4/3 πr 3 Razão superfície/volume S/V = 1/(3R) R = 1 m S/V = 0,33 m -1 R = 10-9 m = 1 nm S/V = 0,33 x 10 9 m -1
NANOMATERIAIS = Materiais com pelo menos um componente em escala nanométrica (nanoescala) Novas estruturas e Propriedades diferentes Daquelas que apresentam em escala macroscópica ou microscópica. Nanotubo de paredes múltiplas Nanotecnologia deve contribuir para enfrentar... Grandes problemas da humanidade Energia Água Alimento Pobreza Guerra Doença Educação Democracia População 2004 6.5 Bilhões de pessoas 2050 ~ 10 Bilhões de pessoas R. Smalley
Formas alotrópicas de carbono diamante sp3 fulerenos sp2 grafite nanotubos
Molécula C 60 APLICAÇÕES EM MEDICINA Atividade antiviral e inibição de enzimas HIV, Herpes Anti-oxidantes e agentes neuroprotetores Alzheimer, Parkinson Atividade antimicrobial Tuberculose, Candida, Salmonela Terapia contra osteoporose Contraste para MRI, cintilografia e radiotraçadores Radioimunoterapia Câncer 60 átomos de carbono em forma esférica com 0,7 nm de diâmetro Premio Nobel em Química 1985 Endofulerenos R@C82 Molécula C 60 Aplicação em dispositivos fotovoltáicos
Nanotubos de parede única (SWNT) M. Endo, NT05 X Tang et al Science 2000 STM Dekker et al, Nature 1998 www.ruf.rice.edu/smalleyg/image gallery.htm Nanotubos de parede múltipla (MWNT) www.nano-lab.com
NANOTUBOS DE CARBONO Diâmetros médios SWNT: ~1,2-1,4 nm; MWNT: ~10-300 nm Comprimentos: dezenas de nanômetros a centímetros D ~1.3 g/cm 3 para SWNT, ~1,8 g/cm 3 para MWNT J max ~10 10 A/cm 2 SWNT - Condutividade elétrica pode ser similar ao cobre ou ao silício. Single walled Double walled Multi-walled NANOTUBOS DE CARBONO Tensão na ruptura ~ 150-180 180 GPa para SWNT e 10-60 GPa para MWNT Módulo de Young ~1 TPa para SWNT e ~0,3-1 1 TPa para MWNT T = tera = 10 12 Altamente flexível. Condutividade térmica t ~3000 Wm - 1 K -1 Expansão térmica t desprezível Oxidação em ar a > 700 o C (~puro e sem defeitos) Biocompatível
NANOTUBOS DE CARBONO NTC formam feixes que estão fortemente ligados em redes complexas. Composição impurezas: catalisador metálico, materiais carbonosos (grafítico, amorfo, fulerenos). PUREZA É UM PROBLEMA CENTRAL. Propriedades excepcionais sustentam a motivação em seu uso. Dependência das propriedades mecânicas com o diâmetro do feixe ou do NTC. Módulo de elasticidade Curvas tensão-deformação SWNT baixa transferência de carga dentro dos feixes. MWNT variações associadas ao diâmetro do MWNT. Ajayan, Schadler, Braun: Nanocomposite Science and Technology, Wiley-VCH, Weinheim, 2003.
Produção técnica/cientt cnica/científica Moniruzzaman, Winey: Macromol 39 (2006) 5194 Mercado para Nanotubos de Carbono IP Overview 2008. www.frinnov.fr
Applications of Carbon Nanotubes: where we stand Large Volume Applications Limited Volume Applications (Mostly based on Engineered Nanotube Structures) Present Near Term (less than ten years) Long Term (beyond ten years) - Battery Electrode Additives (MWNT) - Composites (sporting goods; MWNT) - Composites (ESD applications; MWNT) - Battery and Super-capacitor Electrodes - Multifunctional Composites (3D, damping) - Fuel Cell Electrodes (catalyst support) - Transparent Conducting Films - Field Emission Displays / Lighting - CNT based Inks for Printing - Power Transmission Cables - Structural Composites (aerospace and automobile etc.) - CNT in Photovoltaic Devices Endo, Strano and Ajayan on Applications of Nanotubes Springer book on Nanotubes edited by Dresselhaus, Jorio et al. - Scanning Probe Tips (MWNT) - Specialized Medical Appliances (catheters) (MWNT) - Single Tip Electron Guns - Multi-Tip Array X-ray Sources - Probe Array Test Systems - CNT Brush Contacts - CNT Sensor Devices - Electro-mechanical Memory Device - Thermal Management Systems - Nano-electronics (FET, Interconnects) - Flexible Electronics - CNT based bio-sensors - CNT Filtration/Separation Membranes - Drug-delivery Systems IP Overview 2008. www.frinnov.fr
Compósitos de alto desempenho Por que precisamos de compósitos? Compósitos são formados por dois ou mais materiais distintos e apresentam uma combinação de propriedades desejável, que não são encontradas nos componentes individuais.
Esforço concentrado da NASA
Nanocompósitos O componente disperso na matriz possui dimensões nanométricas Aumento excepcional da área de interface entre a carga e a matriz Macromoléculas de polietileno na interface de SWNT - Imagem gerada em computador
Compósitos NTC - polímeros Melhoria de desempenho nas propriedades Elétricas, Mecânicas e outras Poliolefinas Depende da interação eficiente entre NTC e polímero Polímeros conjugados SWNT MWNT Acrílicos Faz-se necessário dispersão e distribuição homogênea Epóxi.PAN, PC, Poliamidas, Fluoropolímeros Esquema geral da preparação e caracterização de nanocompósitos Síntese e caracterização de NTC TG, SEM, TEM, Raman Purificação, funcionalização, dispersão de NTC TG, SEM, TEM, Raman, PL, FTIR, AFM Fabricação e caracterização de nanocompósitos TG, DSC, SEM, TEM, Raman & FTIR, AFM, DRX, etc Estudo de propriedades em função de: Composição, temperatura, pressão, potencial elétrico, força de tração, etc
Dispersão de NTC Dispersão deficiente: - compósito isolante ou condutividade elétrica baixa, - materiais opacos, - propriedades mecânicas similares ao polímero puro ou inferiores. Dispersão eficiente: - percolação elétrica, - percolação reológica, - material compósito transparente. 3) Propriedades de nanocompósitos
Propriedades elétricas Adição de NTC em polímeros modifica as propriedades elétricas porque: Efeitos quânticos podem se tornar importantes comportamento elétrico no NTC isolado é diferente de bulk. O espaço o entre tubos decresce com a razão de aspecto da amostra de nanotubos para a mesma fração volumétrica percolação pode ocorrer a baixas concentrações. Condutividade elétrica limite de percolação Lei de percolação
Ilustração: Percolação elétrica elétron Carga com elevada razão de aspecto (l/d) -é necessária uma baixa concentração de carga -as propriedades desejáveis do polímero são mantidas APLICAÇÕES DE COMPÓSITOS COM NTC EM FUNÇÃO DA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA Blindagem eletromagnética Pintura eletrostática Ramasubramaniam et al. Appl Phys Lett 83 (2003) 2928 Dissipação eletrostática
Propriedades Mecânicas Tensão na ruptura Deformação na ruptura Módulo de elasticidade ou Módulo de Young Área sob a curva até a ruptura: Tenacidade
Curvas tensão-deforma deformação Aumento de módulo e tensão na ruptura, diminuição de deformação na ruptura. Propriedades mecânicas Tensão na ruptura aumenta, mas deformação na ruptura pode diminuir com a adição de NTC, pois são mais rígidos que a matriz. Perda de tenacidade?
Exemplo PMMA/SWNT (preparação pelo método m de coagulação) Du, Fischer, Winey: Physical Review B: 72 (2005) 121404 Du, Fischer, Winey: J. of Polymer Sci B 41 (2003) 3333 Du, Scogna, et al.: Macromolecules 37 (2004) 9048 PMMA/SWNT Condutividade elétrica Módulo de armazenamento Percolação elétrica ocorre a maior concentração que percolação reológica (viscoelástica).
PMMA/SWNT Diferentes distâncias intertubos são necessárias para: - Percolação elétrica modelo de tunelamento induzido por flutuação térmica. 20 nm - Percolação reológica - Impedir movimento de cadeias a longa distância, (depende do diâmetro do emaranhado aleatório). 5nm PMMA/SWNT efeito de alinhamento
Nanotecnologia -Área Interdisciplinar Química Física Reações químicas Funcionalização Nanotecnologia Teórico Experimental Nanoeletrônica Biologia Biotecnologia Biosensores Nanofármacos Manipulação de DNA INDÚSTRIA Petroquímica Eletroeletrônica Plásticos e Têxtil Energia Engenharias Eletrônica Materiais Química Etc Ciências exatas e Biológicas; Engenharias Ciências humanas
Impacto ambiental e Aspectos éticos Produção e uso de nanomateriais Avaliação criteriosa de riscos (novos riscos) para o meio ambiente, incluindo os seres vivos. Políticas claras legislação e controle. Nanotecnologia a serviço o do desenvolvimento sustentável Nanotecnologia a serviço o da diminuição de desigualdades sociais e paz. Apoio: