O mundo maravilhoso do carbono

IF - UFF Andrea Latgé 2013
Andrea Latgé
IF/UFF
NANOCIÊNCIA &
NANOTECNOLOGIA:
Mudando as escalas
1

Materiais Nanoestruturados
Macromateriais
2

• O que é a FÍSICA ?
• O que a FÍSICA estuda ?
• O que é nanociência?
FÍSICA – NANOCIÊNCIA –
NANOTECNOLOGIA
nanotecnologia
3

Albert Einstein
"O mundo está diante de nós como um grande enigma externo"
O que é a FÍSICA?
4

Albert Einstein
O objetivo do físico é resolver os enigmas colocados pela
natureza. Desde o nascimento do universo até o enigma
atômico ...
O que e a FÍSICA?
5

Albert Einstein
O físico objetivo é resolver os enigmas colocados pela
natureza. Desde o nascimento do universo para o enigma
atômico ...
O que e a FÍSICA?
Físicos são como detetives tentando resolver
um mistério!
6

CrimeNatureza
7

Identifique os principais
suspeitos
9

Identifique os
principais suspeitos
Interrogue os suspeitos
10

Identifique seus
principais suspeitos Interrogue os suspeitos
Reporte suas conclusões …
e o crime estará
resolvido
11

E o FÍSICO?
12

Identifique os principais suspeitos
Tempo Temperatura
Massa
Distância
Cor Carga
13

Interrogue os suspeitos
14

Reporte suas conclusões
Crime é resolvido!!!!
15

16
Transferência
de calor através
da convecção.
Áreas da Física
* Acústica
* Astrofísica
* Biofísica
* Ciência planetária
* Cosmologia
* Dinâmica dos fluidos
* Econofísica
* Electromagnetismo
* Eletrônica
* Física atmosférica
* Física atômica
* Física biomédica
* Física computacional
* Física da computação
* Física da matéria condensada
* Física de materiais
* Física de partículas
* Física de Plasmas
* Física matemática
* Física médica
* Física molecular
* Física Nuclear
* Física oceânica
* Física química
* Geofísica
* Mecânica clássica
* Mecânica estatística
* Mecânica quântica
* Óptica
* Relatividade geral
* Relatividade restrita
* Teoria clássica de campos
* Teoria quântica de campos
* Termodinâmica
Fotografia estroboscópica de uma bola de
basquete. A energia mecânica da bola ora está
sob a forma de energia potencial
gravitacional, energia cinética ou energia
potencial elástica. A cada quique da bola parte
da energia é dissipada na forma de energia
térmica e energia sonora

Avanços Tecnológicos e Científicos
NANOCIÊNCIA & NANOTECNOLOGIA
17

•O que é nanociência?
FÍSICA – NANOCIÊNCIA –
NANOTECNOLOGIA
18

O que é NANOciência?
Nano do Grego “nanos” (ou Latin “nanus”), significa anão
Nano 10-9 –nanometro, da escala do diâmetro atômico (o cabelo humano tem uma
espessura de cerca de 100 nm)
Nanociência é o estudo dos átomos, moléculas, e objetos cujos tamanhos estão na escala
dos nm s ( 1 - 100 nm).
Por que o estudo da NANOciência é diferente dos problemas
em escalas maiores?
A FÍSICA é diferente na escala nanométrica. Propriedades que não são vistas numa escala
macroscópica se tornam importantes – “quantum mechanical and thermodynamic”. Se
trabalha com átomos individuais e moléculas.
Moléculas individuais - agrupar em formas bem determinadas para produzir novos
materiais com características novas e interessantes.
Por que a NANOCIÊNCIA de repente se tornou um grande
campo de interesse?
Muitas razões: Disponibilidade de novos instrumentos capazes de “ver”
e "tocar" nesta escala.
19

Nanociência - uma das disciplinas científicas que mais cresce e que
tem quebrado as barreiras tradicionais que separa a física, química e a
biologia.
A interdisciplinaridade da nanociência é uma das características mais
importantes
Nanotecnologia é o estudo da manipulação da matéria na escala atômica e
molecular.
Efeitos da Mecânica Quântica - muito importantes nesta escala.
20

VARIANDO TAMANHOS........DO METRO (m) AO ANGSTRON (Ǻ)
21

httpwww.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=uf6EGvl7nJo
22

mm54
Tecidos
celulares
m52
Distância
entre átomos
de silício
nm5.04.0
Manipular átomos é muito difícil devido as suas dimensões
• Submúltiplos do metro (m)
3
6
9
10 m 1mm
10 m 1um
10 m 1nm
(milímetro)
“macromundo”
(microns)
“micromundo”
(nano)
“nanomundo”*
Formiga
Cabeça de
um prego
mm21
Microengrenagens
m10010
Nanochips
nm10010
23

Grafite a olho nú
Grafite por
microscópio de luz
Grafite microscópio
eletrônico
Grafite por microscopia
de varredura
PROGRESSO DEVIDO AOS AVANÇOS TECNOLÓGICOS
EXPERIMENTAIS
Sample
(surface)
TIP
Scanning Tunneling
Microscope - STM
Blue Platinum
The surface of Platinum.
24

25

26

10-2 m
27

28

29

O mundo atômico
Os átomos obedecem leis físicas
bastante distintas daquelas que
presenciamos em nosso cotidiano
• Os princípios da mecânica clássica de Isaac
Newton (1643-1727) não descrevem bem o
mundo dos átomos.
• Pesquisadores:
•J. Thomson (1856-1940),
• M. Planck (1858-1944),
•E. Rutherford (1871-1937),
•A. Einstein (1879-1955),
•N. Bohr (1885-1962),
•E. Schrödinger (1887-1961)
•contribuíram para a formulação da
MECÂNICA QUÂNTICA que descreve
os fenômenos em escala atômica e
molecular.
Os elétrons podem se mover apenas em
certas órbitas e a cada órbita está associado
um valor de energia permitido;
núcleo
E1
E2 E3
E4
E1 < E2 < E3 < E4 são chamados níveis de
energia. Os elétrons podem pular de níveis
(perdendo ou ganhando energia).
elétron ganha
energia
elétron perde
energia
30

Partículas ou ondas?
Elétrons são esquematizados como bolinhas rígidas na maioria das figuras mas, isto é apenas
uma representação. Na verdade, não se pode atribuir-lhes forma.
• Na Mecânica Quântica, partículas são tratadas como se fossem ondas.
Colisão (interação entre corpos) Interferência (superposição de ondas)
Interferência construtiva:
as ondas se superpõem
Interferência destrutiva:
as ondas se cancelam
As ondas, ao contrário dos objetos corpusculares, podem
ultrapassar umas as outras.
tempo
inicial
tempo
final
31

Efeito túnel
Sistema clássico Sistema quântico
• Clássico: para subir a colina a bolinha
precisa viajar com uma velocidade v de modo
que sua energia cinética (mv2/2) seja maior
que a energia potencial máxima (Vmax). Caso
contrário, ela não passará para o outro lado.
• Quântico: parte de uma onda incidente com
energia E menor que Vmax é transmitida para o
outro lado da barreira (largura L) e outra parte é
refletida (não mostrada na figura). Isto é o
chamado efeito túnel, previsto apenas pela
Mecânica Quântica, onde um elétron
conseguiria “tunelar” por uma barreira de
potencial.
L
energiapotencial(V)
Vmax
Vmax
E
32

33
Descobrindo a
estrutura do sistema
cristalino
MEDIDAS DE RAIO-X
REDES CÚBICAS
REDES HEXAGONAIS
ANÁLISES ESPECTRAIS

A escala “NANO”
“Nanothecnology” foi mencionado pela primeira vez em 1959
pelo físico Richard Feynman
“Why we can not write the full 24 volumes of the British Encyclopedic in
the small pin?”
“What I want to talk is about the problem of manipulating things in atomic
scales”.
Richard P. Feynman Nobel Price Physics-1965
Como ver o átomo ?
Sample
(surface)
Agulha
Scanning Tunneling
Microscope - STM
Blue Platinum
The surface of Platinum.
34

ANOS 80’s o scanning tunneling microscope STM foi inventado IBM-Suiça.
Primeiro instrumento capaz de “ver” átomos.
Depois - Atomic Force Microscope AFM foi inventado, expandindo as capacidades e
os tipos de materiais que podiam ser investigados.
STM sob deposição de Te
em Au(111)
AFM de superfície
polimérica
EC-STM de CdSO4
A Microscopia do tipo - Scanning Probe Microscopy nasceu, e desde
então muitas técnicas similares envolvem estes instrumentos para
“ver” diferentes propriedades na escala nanométrica.
35

MP3 Player
15000 songs, 60 Gb
Nanotecnologia
Nanociência
Física Nanoscópica
Nanômetro = 10-9 m = 0.000000001 m
36

37
Nunca um telefone teve este nível de
adaptação e acabamento. Pegue por exemplo
as armações de vidro, atrás do iPhone 5.
Durante o processo de fabricação, cada
parte da estrutura de alumínio do iPhone 5 é
fotografada por duas câmeras de 29MP de
alta potência. Depois uma máquina analisa as
imagens e as compara com 725 armações de
vidro diferentes até encontrar a combinação
mais precisa para cada iPhone.

38

“Sandwich” Nanoscópico Magnético:
• “pão” magnético
• “recheio” não-magnético
39

“Sandwich” Nanoscópico Magnético:
Magnetoresistência Gigante
Sensores magnéticos Cabeçotes Alta-densidade de “magnetic
recording” Cool MP3 player
40

10 anos
41

Revolução na Informática
• 1º computador
do mundo
(1943)
• 30 tn (5 elefantes!)
• 18.000 válvulas
• 200 Kwatts de calor
dissipado (potência de
8 baterias de carro!)
•espaço de 9m x 30m
42

Microprocessadores: o início dos computadores pessoais
Enfim chegamos aos computadores que grande parte dos usuários utiliza até hoje. Os
computadores da quarta geração foram os primeiros a serem chamados de
“microcomputadores” ou “micros”. Esse nome se deve ao fato de eles pesarem menos de 20
kg, o que torna o armazenamento deles muito facilitado.
Você consegue imaginar qual o componente que tornou possível essa redução das máquinas?
MICROPROCESSADORES. O surgimento dos pequenos chips de controle e processamento
tornou a informática muito mais acessível, além de oferecer uma enorme gama de novas
possibilidades para os usuários.
Em 1971, já eram criados processadores com esse novo formato, mas apenas na metade da
década começaram a surgir comercialmente os primeiros computadores pessoais. Os Altair
880 podiam ser comprados como um kit de montar, vendidos por revistas especializadas nos
Estados Unidos. Foi com base nessa máquina que Bill Gates e Paul Allen criaram o “Basic” e
inauguraram a dinastia Microsoft.
A importância da Apple
Na mesma época, os dois Steves da Apple (Jobs e Wozniac) criaram a EMPRESA DA
MAÇÃ para se dedicarem a projetos de computação pessoal facilitados para usuários leigos.
Assim surgiu o Apple I, projeto que foi primeiramente apresentado para a HP. Ele foi sucedido
pelo Apple II, após uma injeção de 250 mil dólares pela Intel.
43

44

45

The next generation of contact lenses may allow you read emails, text messages or
browse the web directly in your field of vision. A team of researchers,
comprising scientists and engineers from the US and Finland, have developed the
first bionic contact lens with a display device built in, potentially allowing messages
and data to be projected in front of the user. The prototype lenses were built with
just one pixel embedded and powered by a wireless battery 1cm away from the
lenses but show that there is potential in exploring the concept further. The
potential uses of such contact lenses could be in messaging, gaming, navigation or
they could be linked to sensors on the body, supplying real-time updates of health
data like blood-glucose levels, heart rate etc.
The scientists embedded a tiny LED with sapphire into the centre of a plastic
contact lens. They then laid a circular antenna around the circumference of the lens
and connected it with a circuit to the LED. Using remote radio frequency
transmission, the scientists could control the pixel.
The lens was made with a hard plastic that doesn't allow air flow to the eye, so would
be unsuitable for human use in its current form. In addition there are problems with
power generation, with the wireless battery having a range of just one centimeter.
But the scientists have overcome other problems. The lenses, when tested on
rabbits, didn't cause any abrasions, thermal burning or other potential negative
effects on the eyes. The scientists also overcame issues surrounding focusing on
images so close to the eye. Using an additional embedded lens, they were able to
project the images directly on to the retina, which would allow humans see the
images clearly.
Journal of Micromechanics and Microengineering.
46

Cientistas criam nanolâmpadas, as menores lâmpadas do mundo
Com o tamanho aproximado de um vírus ou das menores bactérias
conhecidas, as nanolâmpadas estão entre as menores estruturas
emissoras de luz já fabricadas pelo homem. Elas são menores do que o
comprimento de onda da luz que emitem
Dissipador de calor de nanotubos de carbono é mais eficiente
para resfriar chips
A maioria dos dissipadores de calor hoje utilizados é feita de alumínio,
menos eficiente do que o cobre, mas muito mais barato. O dissipador de
nanotubos é tão eficiente quanto aqueles feitos de cobre, mas muito
menor.
Sensores de nanofios têm mesma dimensão das moléculas que
detectam
Além de funcionar como sensores biológicos de altíssima sensibilidade, os
nanofios são feitos em uma pastilha de silício, o que significa que eles
poderão ser integrados diretamente com sistema microeletrônicos.
Nano-microscópio filma movimento coletivo de átomos de
ouro
Os microscópios estão evoluindo tão rapidamente que o termo
microscópio eletrônico já não é mais suficiente para esclarecer de
que tipo de sistema de imageamento se está falando.
47

48

49
Figure 1. Atomic force
microscope (AFM) surface
images. The samples were grown
on GaAs (100) substrates using
solid-source molecular beam
epitaxy.
(a) Gallium (Ga) droplets with
the density
of 2 x 109 cm-2 were formed
using a supply of 3.75 monolayer
(ML) of Ga (0.5 ML/s) to the
surface of a Al0.3Ga0.7As barrier
layer at 300 °C. (b) GaAs
“concentric double rings”,
formed using a supply of arsenic
(As) flux (As4 molecular beam)
with intensity of 2x 10-6 Torr
beam equivalent pressure (BEP)
to the Ga droplets at 200 °C.
ANÉIS QUÂNTICOS – FULERENOS - NANOTUBOS
Mano T et al 2005 Nano Lett. 5, 425

FULERENOS
NANOTUBOS DE CARBONO
GRAFENO
Sistemas Nanoestruturados
50

• Grande número de compostos
•Diferentes tipos hibridização
• Non-metálicos e non-magnéticos
-bond
CARBONO 1s2 2s22p2
51

Diamante
Grafite
+ Moléculas orgânicas e
polímeros (reações químicas)
• Hibridização sp3
• Isolante
• Transparente
• Hibridização sp2
• Semimetal
Novas formas de Carbono
Fullerenes
“Buckyballs” C60
sp2 hybrization
-(1950) necessidade da indústria espacial e
de naves: fibras mais forte, resistentes e
mais leves para serem usadas nos materiais
de construção com propriedades mecânicas
superiores
52

FULLERENES
C60
53

54
Nos anos 1970 ele lançou um programa de pesquisa em Sussex para buscar
CADEIAS DE CARBONO no ESPAÇO CÓSMICO. Seus estudos iniciais
detectaram a molécula cianoacetileno, H-C≡C-C≡N. O grupo de Kroto buscava
evidências espectrais de moléculas ainda mais longas, tais como o cianobutadieno,
H-C≡C-C≡C-C≡N e o cianohexatrieno, H-C≡C-C≡C-C≡C-C≡N, e as encontrou entre
1975 e 1978.
A busca de explicar a existência das mesmas levou à descoberta da molécula C60.
Ele tomou conhecimento do trabalho de espectroscopia com laser feito
por Richard Smalley e Robert Curl na Universidade Rice, no Texas. Ele sugeriu que
eles usassem os equipamentos existentes na Universidade para simular a química
do carbono existente na atmosfera de uma estrela de carbono.
O experimento conduzido em setembro de 1985 não apenas provou que as estrelas
de carbono podiam produzir as cadeias de carbono, mas também revelou um
resultado surpreendente - a existência de moléculas do tipo C60. Os três
cientistas conduziram o trabalho com os então estudantes Jim Heath, Sean
O'Brien e Yuan Liu . O Nobel de Química foi dividido entre Curl, Kroto e Smalley
em 1996.
Atualmente Kroto realiza pesquisas anociência e Nanotecnologia!

1996 - Nobel Price
Chemistry
55

56

57

58
Imagem de feixe com microscopia eletrônica de
varredura de nanotubos de carbono

J. W. G. Wildoer et al.,Nature 391,
59 (1998)
STM/STS
caracterização
P. Kim et al.,
Phys. Rev. Lett.82,
1225 (1999)
cutting
lines
(13,7)
59

Baterias de LITTIUM
Aumento Significativo
da vida média
(Y. Ando, I. Ijiima)
- até 3 x a capacidade
de armazenamento
60

FUNCIONALIZAÇÃO DE
NANOTUBOS
Nanotechnology: Carbon
nanotubes with DNA
recognition Nature
420, 761 (2002); K. Williams,
P.T.M.Veenhuizen, B G. de la
Torre, R. Eritja, and C. Dekker
61

Por que estudar nanomateriais ?
FABRICAÇÃO DE CHIPS NOVOS MATERIAIS
APLICAÇÕES NA MEDICINA APLICAÇÕES NA ENGENHARIA
filtro de
nanotubos
62

1946 P.R. Wallace - paper sobre estrutura de banda de grafeno
 2004 K.S. Novoselov & A. Geim realizam e identificam o grafeno
experimentalmente
1564: INVENÇÃO do “Lead pencil” baseado no GRAFITE
 2005 Y.B. Zhang et al observam o efeito Hall & Berry's phase em grafeno
Wafer with graphene
flakes, optical
microscope
(Novoselov et al.,
Science 306, 666
(2004)
GRAFENO
63

64
EXFOLIAÇÃO MECÂNICA DO GRAFITE
VANTAGENS: SIMPLES E FÁCIL
ALTA QUALIDADE
DESVANTAGENS: BAIXA EFICIÊNCIA

IF - UFF Andrea Latgé 2013 65

REALIZAÇÃO
do GRAFENO
66

•Material mais forte já medido
•Membrana flexível mais fina jamais criada
•Impermeável à gases (mesmo Hidrogênio atômico)
•Transporte Balístico sobre m (temperatura ambiente)
•Valor Recorde de condutividade térmica à temperatura ambiente
( 5000W/mK)
•Densidade de corrente 6 ordens de magnitude maior do que para o Cu
POR QUE TANTO INTERESSE NO GRAFENO?

MEMBRANAS IMPERMEÁVEIS
T. Georgiou et al

69

70

71
VENHAM CONHECER MAIS DE PERTO O
MUNDO MARAVILHOSO DO CARBONO

NANOESTRUTURAS DE CNTS
UFF/ NANOTUBE /ZOO
(m,0)
(ñ,0) (n,0)
Y-JUNÇÕES E Y-ANÉIS Topological defect of
the type (12,0)/(6,6)
Defeito Topológico (n,0)/(n-1,0)
QUANTUM DOTS

Redes Cristalinas: Teorema de Bloch
– simplificações matemáticas -
* Resolver o problemas de
autovalores de energia
Simetrias
Redes Diretas
Redes Recíprocas
Átomos – Moléculas - Cristais
Física do Estado Sólido
74

(m,0) (m,0)
(ñ,0)
(n,0)
Unit
Cell
212
2 2cos42cos23cos41, akakaktkkE yyxyxDg
•Tight-Binding Model: one-single band
calculation energy dispersion relation
Nanotubes
• Periodic boundary conditions
M. S. Dresselhaus et al, PRB 46, 1804 (1992)
• Armchair (n,n)
• Zigzag (n,0)
C.k = 2 q
Kyq= 2 /a q/n (q= 1,...,2n)
Kxq= 2 /a 3 q/n (q= 1,...,2n)
1a
Brillouin
Zone det[H-ES]=0 secular equation

STM/AFM microscópios
Sensores de gás
Armazenadores de Hidrogênio
Dispositivos Nanoeletrônicos
Emissores de campo
Dispositivos Fotônicos
Conhecimento das propriedades
ópticas e absorção e emissão
Propriedades Ópticas de CNs
Monitores Coloridos de CN
(Samsung, Choi et. al.)
LED made of CN filament
J Wei et al. 2004 APL 84 4869
M. Dresselhaus et. al.
Raman spectra
Characterization
76

Propriedades Mecânicas
Leves, rígidos e flexíveis....
• alta elasticidade e capacidade de reconstrução
•Permitem altas tensões ~ 45 billion Pa (SWCN)
M.-F. Yu et al. Science 287, 637 (2000)
Metais normais-
apenas 2 bilhões Pa!!!!
SWCN - Densidade 1,4 g/cm3
Aluminium - 2,7 g /cm3
Novas fibras
de CNS
77

Science 423, 703 (2003)
1 cm
MÚSCULOS ARTIFICIAIS..
R. H. Baughman et. Al.
Science 284, 1340 (1999)
Eletromecânica: estendem e contraem quando submetidos
a uma ddp (piezoelétrico)
COMPÓSITOS
78

Peapods fullerene
synthesis - Kataura
New Materials
Fullerene C60 inside nanotubes
79

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