Nanotubos de carbono

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SEMINÁRIO - NANOMATERIAIS
NANOTUBOS DE CARBONO
PROF. DR. JOHNY P. MONTEIRO
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL 
DO PARANÁ – CAMPUS LONDRINA
2017
Discentes:
Débora Almeida
Ewerton Teotônio
Fernanda Rodrigues
Sara Carrazedo 
✓ Apresenta grande afinidade em combinar-se quimicamente com outros
átomos.
✓ Formam ligações hibridizadas que permite a produção de geometrias e
compostos diferentes.
CARBONO
Alotropia: propriedade que alguns elementos químicos possuem de se apresentarem
com formas e propriedades físicas diferentes.
✓ Diamante
✓ Grafite
✓ Fulereno
✓ Nanotubos de Carbono
ALÓTROPOS DO CARBONO
Diamante
✓ Os átomos de carbono estão no estado de hibridização sp3 tetraédrica.
✓ Esta configuração possui alta estabilidade, é rígida e dura.
✓ Possui um band gap de 5,5 eV sendo assim um isolante
ALÓTROPOS DO CARBONO
Grafite
✓ Os átomos de carbono estão no estado de hibridização sp2.
✓ As ligações de Van der Waals impedem que as camadas de grafite se desloquem
umas sobre outras quando uma força externa é aplicada;
✓ O grafite é um bom condutor elétrico.
ALÓTROPOS DO CARBONO
Fulereno
✓ Estrutura da molécula de fulereno, mostrando hibridização sp2 ligeiramente
deformada.
✓ A molécula de fulereno C60 é constituída por 20 faces pentagonais e 12 faces
hexagonais, os átomos de carbono ocupam os 60 vértices.
ALÓTROPOS DO CARBONO
HISTÓRICO - NANOTUBOS DE CARBONO
... 1985 1991
1993199620032009
NANO / TUBO
DEFINIÇÃO - NANOTUBOS DE CARBONO
0,000000001 Cilindro
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FORMAÇÃO - NANOTUBOS DE CARBONO
ARRANJOS DE ÁTOMOS - NANOTUBOS DE CARBONO
Classificados principalmente em dois tipos:
✓ Nanotubos de parede simples (conhecidos como SWNT, do inglês single-
walled nanotubes);
✓ Nanotubos de paredes múltiplas (conhecidos como MWNT, do inglês
multiple-walled nanotubes);
TIPOS DE NANOTUBOS DE CARBONO
TIPOS DE NANOTUBOS DE CARBONO
Representação SWNT
Representação MWNT
✓ SWNT: Diâmetro (~1nm - ~20nm) / Comp. ( de 1 até várias
centenas de µm);
✓ MWNT: Diâmetro (~10nm - ~200nm) / Comp. ( de 1 até
várias centenas de µm)
Vetor quiral
TIPOS DE NANOTUBOS DE CARBONO
Diagrama da formação de nanotubos de carbono a partir de uma 
folha de grafite
Dependendo dos valores relativos do par (n, m), os SWNT podem ser:
✓ Armchair (n = m)
✓Zigzag (m = 0)
✓Chiral (n ≠ m ≠ 0)
TIPOS DE NANOTUBOS DE CARBONO
Outras morfologias
TIPOS DE NANOTUBOS DE CARBONO
Torus
Nanobud
Peapod
A maioria das propriedades do nanotubos depende de seu diâmetro e ângulo
quiral.
✓ Propriedades eletrônicas;
✓ Propriedades mecânicas;
✓ Propriedades térmicas.
PROPRIEDADES DOS NTC
Propriedades eletrônicas extraordinárias. Os NTC podem ser metálicos ou
semicondutores, dependendo da sua estrutura.
PROPRIEDADES ELETRÔNICAS
Mapa parcial de nanotubos metálicos e semicondutores.
Estas propriedades únicas dos NTC são devidas ao confinamento quântico.
PROPRIEDADES ELETRÔNICAS
Densidade de estado exibindo a banda de valência (valores negativos), a banda de 
condução (valores positivos) e a energia de Fermi (EF centrada em 0 eV).
✓ A baixas temperaturas, numa escala nanométrica, os NTC podem
apresentar supercondutividade
✓ Em baixas temperaturas a densidade de corrente dos NTC é
aproximadamente 1000 vezes maior que a do cobre.
PROPRIEDADES ELETRÔNICAS
✓Altíssima resistência mecânica;
✓ Alto módulo de Young;
✓ Tensão de ruptura (50 x a do aço);
✓ Rara propriedade de flexibilidade
✓ Origem: ligações sp2 .
PROPRIEDADES MECÂNICAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS
✓ Altíssima condutividade na direção do eixo;
✓ Diamante: 3320 W/m.k
✓ Nanotubo: 6600 W/m.k
✓ Estabilidade térmica: 2800 °C (vácuo) e 750 °C (ar)
PROPRIEDADES TÉRMICAS
TÉCNICAS DE PRODUÇÃO DE NANOTUBOS DE 
CARBONO
• Principais:
• Método de Descarga por Arco Elétrico;
• Método de Ablação por Laser;
• Método de Deposição Química por Vapor (CVD).
• Purificação. 2
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MÉTODO DE DESCARGA POR ARCO ELÉTRICO
• Primeiros Nanotubos por Iijima, em 1991;
• NTCPS e NTCPM;
• Diâmetro: 0,5nm – 20nm
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Imagens TEM dos NTC, sintetizados 
por Iijima:
a) 5 Paredes; b) 2 paredes e c)7 
paredes.
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• Condições:
• Atmosfera de Hélio ou Argônio;
• Pressão de 400 - 700 torr;
• Potencial DC: 15 – 50V;
• Distância entre os eletrodos menor 
que 1mm.
• Vantagem:
• Excelente qualidade estrutural.
• Limitações:
• Aumento de escala do sistema limitado;
• Domínios altamente energéticos;
• Produto obtido com impureza;
• Produção de grandes quantidades de 
carbonos amorfos.
MÉTODO DE ABLAÇÃO POR LASER
• Produção de NTCPS e NTCPM;
• Pureza de 70-90%;
• O grafite é vaporizado pela irradiação a laser na presença de 
um gás inerte
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• Rendimento:
• Tipo de catalisador;
• Potência e comprimento de 
onda do laser;
• Temperatura;
• Pressão;
• Tipo de gás.
• Obtém NTC mais puros que pela 
técnica de Descarga por Arco.
MÉTODO DE DEPOSIÇÃO QUÍMICA POR VAPOR 
(CVD) 
• Mais fácil de ser controlado;
• Mais eficiente;
• Processo envolve a reação de decomposição de um vapor ou uma gás
precursor contendo átomos de carbono, na presença de um catalisador metálico
inerte;
• Nanotubos são nucleados e crescidos pelos átomos de carbono advindos da
decomposição do precursor;
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Representação esquemática do aparato de 
decomposição química de vapor
• O método CVD produz nanotubos
relativamente mais puros.
• Defeitos estruturais são produzidos 
quando se emprega o método a baixas 
temperaturas.
• Esse método possibilita também a 
produção de nanotubos alinhados 
numa certa direção.
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PURIFICAÇÃO: 
MATERIAIS COM CARACTERÍSTICAS CONTROLADAS. 
• Impurezas:
• Folhas de grafite;
• Carbono amorfo;
• Catalisadores e os fulerenos.
• Consiste em:
• Eliminação do suporte;
• Eliminação das partículas metálicas;
• Eliminação do carbono amorfo.
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CARACTERIZAÇÃO - NANOTUBOS DE CARBONO
Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET)
✓ Quiralidade.
✓ Diâmetro.
✓ Número de tubos em um feixe de SWNT.
✓ Número de paredes, diâmetro interno e externo para MWNT.
CARACTERIZAÇÃO - NANOTUBOS DE CARBONO
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
✓ Comprimento do nanotubo.
✓ Alinhamento.
✓ Morfologia.
✓ A técnica é mais limitada para SWNT. Porque?
CARACTERIZAÇÃO - NANOTUBOS DE CARBONO
Analise Termogravimétrica (ATD e ATG)
✓ Quantidade de carbono pirolitico.
✓ Nanotubos de carbono presente na amostra.
✓Quantidade de carbono total e óxidos metálicos presentes na amostra.
TOXICOLOGIA - NANOTUBOS DE CARBONO
APLICAÇÕES
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Fonte: Science
Fonte: Emilio Munoz-Sandoval
SCIENCE
A black body absorber from vertically aligned single-walled carbon nanotubes
Kohei Mizuno et. al. 
A skin-inspired organic digital mechanoreceptor
Benjamin C.-K. Tee et. al.
BIOENGINEERING
CONSTRUCTION AND BUILDING 
MATERIALS
Wireless and embedded carbon nanotube
networks for damage detection in concrete
structures.
Mohamed Saafi
METALMECÂNICA
An analysis of the factors affecting strengthening in carbon nanotube reinforced
aluminum composites
Bakshi, Srinivasa R; Agarwal, Arvind
NASA JUNO SPACECRAFT
NANOCOMPTECH
✓ DRESSELHAUS, Mildred S.; DRESSELHAUS, Gene; EKLUND, Peter C. Science of fullerenes and carbon nanotubes: their
properties and applications. Academic press, 1996.
✓ HERBST, Marcelo Hawrylak; MACÊDO, Maria Iaponeide Fernandes; ROCCO, Ana Maria. Tecnologia dos nanotubos de carbono:
tendências e perspectivas de uma área multidisciplinar. Química Nova, v. 27, n. 6, p. 986-992, 2004.
✓ LARRUDÉ, Dunieskys Roberto González. Nanotubos de carbono decorados com partículas de cobalto. Pontifica Universidade
Católica, PUC, 2007.
✓ MENEZES, V. M. Nanotubos de Carbono interagindo com vitaminas B3 e C: um estudo de primeiros princípios. Dissertação
(Mestrado em Física) – Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, 2008.
✓ ZARBIN, Aldo JG; OLIVEIRA, Marcela M. Carbon nanostructures (nanotubes and graphene): Quo Vadis?. Química Nova, v. 36, n.
10, p.1533-1539, 2013.
REFERÊNCIAS