os nanotubos de carbono prof. dr. luis alberto terrazos javier centro de educação e saúde da ufcg
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Os Nanotubos de Carbono
Prof. Dr. Luis Alberto Terrazos Javier
Centro de Educação e Saúde da UFCG
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O elemento Carbono
O sexto elemento mais abundante no Universo
tem três estados de hibridização
possibilita a formação de estruturas complexas: DNA ou Proteínas
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Alótropos do Carbono
Diamante Grafite
• O grafite é o material mais rígido e o diamante é o mais duro• O diamante e o grafite apresentam o mais alto ponto de fusão• O diamante e o grafite tem a maior condutividade térmica• O diamante é isolante e o grafite é condutor da eletricidade • O diamante é transparente e o grafite é opaco
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Descoberta dos fullerenos, 1985
Em 1985, os químicos Harold Kroto, da Universidadede Sussex (Reino Unido), James Heath, Sean O’Brien,Robert Curl e Richard Smalley – estes da Universidadede Rice (Estados Unidos)
Em 1996, Smalley, Kroto e Curl ganharam o prêmio Nobel de química por essa descoberta
C60
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Descoberta dos Nanotubos de Carbono, 1991Em 1991, Sumio Iijima observou com um Microscópio deTransmissão Eletrônica, nanotubos de carbono de multicamada na amostra de fullerenos produzidos via descarga de arco.
Em 1993, foi demonstrada a existência de nanotubos de única camada
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Dimensão do Nanotubo de Carbono
O DNA possui uma largura de 2,5 nm
O diâmetro de um nanotubo é de 1 nm
largura média do cabelo humano 80.000 nm
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Estrutura do Nanotubo
nmmn
mn
aCaC hh
22
1
11
2cos
cos.
Diâmetro do Tubo
Ângulo Quiral ()
),(21 mnamanCh
Vetor Quiral (Ch)
2122 )(. nmmnaccL
Ld
cchh
t
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(0,0)(1,0)(2,0)(3,0)(4,0)(5,0)(6,0)(7,0)(8,0)
(1,1)
(2,2)
(3,3)
(4,4)
(5,5)
Zig-Zag
Arm-chair
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Propriedades Eletrônicas
Ângulo Quiral : = 30o
Nanotubo Arm-chair, (n,n)
Nomenclatura : m=n então (n,n)
na
d cct
3
Diâmetro :
Propriedade Eletrônica: metal
Exemplo: (2,2) dt = 0,3 nm(6,6) dt = 0,8 nm(9,9) dt = 1,2 nm
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Ângulo Quiral : = 0o
Nanotubo ZigZag, (n,0)
Nomenclatura : m=0 então (n,0)
na
d cct
3
Diâmetro :
Propriedade Eletrônica: semimetal n-m=3p semicondutor n-m3p (p é um inteiro)
Exemplo: Semimetal: (3,0) dt = 0,23 nm (6,0) dt = 0,5 nmSemicondutor: (4,0) dt = 0,3 nm (8,0) dt = 0,4 nm (10,0) dt = 0,8 nm
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0o < < 30oÂngulo Quiral :
Nanotubo Quiral, (m,n)
Nomenclatura : mn então (m,n)
Propriedade Eletrônica: semimetal n-m=3p semicondutor n-m3p (p é um inteiro)
Exemplo: Semimetal: (4,1) dt = 0,36 nm = 110 (5,2) dt = 0,5 nm = 160
Semicondutor: (3,2) dt = 0,31 nm = 00 (4,3) dt = 0,48 nm = 0,440
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Propriedades Mecânicas Modulo de Young (Y)
Nos mostra o grado de elasticidade do material.
Nanotubo Y ~ 4 x1012 N/m2
Diamante Y = 1,25 x 1012 N/m2
Ferro Y = 0,21 x 1012 N/m2
Aço Y = 0,2 x 1012 N/m2
Aplicações: Compósitos altamente resistentes, fibras de carbono.
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Tensile Strenght
Resistência a ruptura quando se aplica tensão.
Nanotubo 22 x109 N/m2
100 vezes maior!!!!!!!!Aço 44 x 107 N/m2
O tubo se comporta mais como um canudo elástico, pois quandoa força externa é removida, os defeitos induzidos pela força se reorganizam e o tubo volta a sua estrutura original.
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Propriedades Térmicas
Alta Condutividade Térmica
É um bom condutor de elétrons e do calor
Condutividade do calor:
Diamante 3320 W/m.K
Nanotubo 6600 W/m.K
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Estudo Teórico dos Nanotubos de Carbono Calculo da Estrutura Eletrônica
Equação de Khon-Sham (tipo Equação de Schrödinger
)()()(2
22
rErrVm lmlmlm
xcNNNeee VVVVrV )(
Potencial Eletrostático
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Métodos de Primeiros PrincípiosFull-Potential Linear Augmented Plane Wave ( FP-LAPW)
• Teoria funcional da Densidade• Potencial total• Orbitais atômicos e Ondas Planas como funções de base• Espaço recíproco • Sistemas periódicos
Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms (SIESTA)
• Teoria funcional da Densidade• Pseudo Potencial• Orbitais atômicos• Sistemas não periódicos, sistemas com muitos átomos
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Estrutura de Bandas do Grafite
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(10,0)semicondutor
(9,0)metal
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Nanotubos de Carbono - Aplicações
Carbon nanotube field effect transistor(Dekker)
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Nanotubos de Carbono - Aplicações
Biocompatíveis
São citotóxicos – contato com eles mata as células
Uma micrografia de fluorescência mostra células de ovário dehamster ligadas a nanotubos de carbono recobertas com um polímero parecido com mucina.
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Nanotubos de Carbono - Aplicações
Músculos Artificiais
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Alkali Metal Doping of Carbon Nanotubes in the Low-Concentration Regime: Non-Homogeneous Deformations and Defect States
• L. A. Terrazos1 and R. B. Capaz2
• 1Centro de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande • 2Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro e Divisão de Metrologia de Materiais, Inmetro
Experimental Motivation Theoretical Simulation
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Estrutura de Bandas do nanotubo semicondutor (10,0)
a) Nanotubo Puro b) Impureza K
EF EF
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-20 -10 0 10 20-100
-80
-60
-40
-20
0
q
(10
-3)
(e/a
tom
)
Z (Å)
= 0,0
Charge Distribution
-20 -10 0 10 20-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10123
L//
(10
-3)
(Å
)
z (Å)
=0
Parallel Strain Deformation
-20 -10 0 10 20-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.0
LI (
10-3)
(Å
)
z (Å)
=0.16
Perpendicular Strain Deformation Strain Deformation Average
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Estrutura do Grafeno Grafite
Folhas de Grafeno
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Elétrons “relativísticos” (Dirac ) em sistemas da matéria condensada em 2DGrafeno
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Abstract
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Supercélula de 448 átomos, espaço entre os planos é de 20 Å
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Ponto de Dirac
Estrutura de Bandas do Grafeno
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Revisitando o defeito Stone-Wales em GrafenoL. A. Terrazos1 and R. B. Capaz2
1Centro de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande 2Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro e Divisão de Metrologia de Materiais, Inmetro
O defeito Stone-Wales é um defeito topológico que ocorre em grafeno e nanotubos de carbono.
Este defeito é importante tanto no crescimento de fullerenos como no mecanismo de deformação plástica de nanotubos sob tensão.
A pesar de extensivamente estudado sob o ponto de vista teórico, ainda há uma considerável variação nas energias e barreiras de formação reportadas. Resultados mais recentes sugerem energias de formação de cerca de 5 eV e barreiras em torno de 9 eV, que tornariam estes defeitos bastante improváveis em grafeno não tensionado.
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Defeito Stone-Wales
C-Cab = 1.32 Å, C-Cbc = 1,45 Å (defeito Stone-Wales)
C-CAB = 1.42 Å (grafeno puro)
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Densidade de Estados
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grafenototal
SWtotal
SWf EEE
Energia de formação do defeito Stone-Wales )( SWfE
SWtotalE Energia total do defeito em grafeno
grafenototalE Energia total do grafeno puro
EfSW
5.61 eV (GGA)
5.14 eV (LDA)
4.8 eV [6]
[6] L. Li, S. Reich e J. Robertson, Phys. Rev. B 72, 184109 (2005).