O mundo maravilhoso do carbono

IF - UFF Andrea Latgé 2013

Andrea Latgé IF/UFF

NANOCIÊNCIA & NANOTECNOLOGIA: Mudando as escalas

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Materiais Nanoestruturados

Macromateriais

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• O que é a FÍSICA ?

• O que a FÍSICA estuda ?

• O que é nanociência?

FÍSICA – NANOCIÊNCIA – NANOTECNOLOGIA

nanotecnologia

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Albert Einstein

"O mundo está diante de nós como um grande enigma externo"

O que é a FÍSICA?

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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? "O mundo está diante de nós como um grande enigma externo"

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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? "O mundo está diante de nós como um grande enigma externo"

Físicos são como detetives tentando resolver

um mistério!

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Crime Natureza

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IF - UFF Andrea Latgé 2013 8


Identifique os principais suspeitos

9



Interrogue os suspeitos

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Identifique seus principais suspeitos Interrogue os suspeitos

Reporte suas conclusões …

e o crime estará resolvido

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E o FÍSICO?

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Tempo Temperatura

Massa

Distância

Cor Carga

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Interrogue os suspeitos

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Reporte suas conclusões

Crime é resolvido!!!!

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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

http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor

http://pt.wikipedia.org/wiki/Convec%C3%A7%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_mec%C3%A2nica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_potencial_gravitacional

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_potencial_gravitacional

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_cin%C3%A9tica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_potencial_el%C3%A1stica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_potencial_el%C3%A1stica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_t%C3%A9rmica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_t%C3%A9rmica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_sonora


Avanços Tecnológicos e Científicos

NANOCIÊNCIA & NANOTECNOLOGIA

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•O que é nanociência?

FÍSICA – NANOCIÊNCIA – NANOTECNOLOGIA

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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.

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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.

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

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

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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

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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.

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10-2 m

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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

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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

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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 en

erg

ia p

ote

ncia

l (V

)

Vmax Vmax

E

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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.

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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.

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http://www.nanoscience.com/education/gallery/CdSO4.html

http://www.nanoscience.com/education/gallery/Triblockcopolymer.html

http://www.nanoscience.com/education/gallery/Te-Au.html


MP3 Player

15000 songs, 60 Gb

Nanotecnologia

Nanociência

Física Nanoscópica

Nanômetro = 10-9 m = 0.000000001 m

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http://www.gifworks.com/cgi-bin/af_gifworks.pl?com=zoom_100&img=girl_listening_to_headphones_hg_wht_26394_006.gif&orig=girl_listening_to_headphones_hg_wht_26394.gif&site=


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.



“Sandwich” Nanoscópico Magnético:

• “pão” magnético

• “recheio” não-magnético

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“Sandwich” Nanoscópico Magnético:

Magnetoresistência Gigante Sensores magnéticos Cabeçotes Alta-densidade de “magnetic recording” Cool MP3 player

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10 anos

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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

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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.

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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.

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http://3.bp.blogspot.com/-sXX7MaPyedI/TsuOR7Rbl0I/AAAAAAAAIuk/qK0Jk1hxKKE/s1600/opto-electronic_contact_lense-540x405.jpg

http://iopscience.iop.org/0960-1317/21/12/125014

http://iopscience.iop.org/0960-1317/21/12/125014


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.

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http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010165070413



































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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

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• Grande número de compostos

•Diferentes tipos hibridização

• Non-metálicos e non-magnéticos

-bond

CARBONO 1s2 2s22p2

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http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:Pi-bond.jpg


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

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FULLERENES C60

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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!

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Cianoacetileno&action=edit&redlink=1

http://pt.wikipedia.org/wiki/Laser

http://pt.wikipedia.org/wiki/Richard_Smalley

http://pt.wikipedia.org/wiki/Robert_Curl

http://pt.wikipedia.org/wiki/Nobel_de_Qu%C3%ADmica


1996 - Nobel Price

Chemistry

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

https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Microscopia_eletr%C3%B4nica_de_varredura&action=edit&redlink=1

https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Microscopia_eletr%C3%B4nica_de_varredura&action=edit&redlink=1


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)

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Baterias de LITTIUM

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

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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

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Por que estudar nanomateriais ? FABRICAÇÃO DE CHIPS NOVOS MATERIAIS

APLICAÇÕES NA MEDICINA APLICAÇÕES NA ENGENHARIA

filtro de

nanotubos

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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

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EXFOLIAÇÃO MECÂNICA DO GRAFITE

VANTAGENS: SIMPLES E FÁCIL ALTA QUALIDADE DESVANTAGENS: BAIXA EFICIÊNCIA



REALIZAÇÃO do GRAFENO

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•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




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

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(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

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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

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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

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Peapods fullerene synthesis - Kataura

New Materials

Fullerene C60 inside nanotubes

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Education

O mundo maravilhoso do carbono