Nanoestruturas de Carbono - Seminário

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Professora: Érika Cabral
                  Disciplina: Física do Estado Sólido 
Aluna: Aline Muniz Lima – 1914436044 - Eng. Materiais
 
  
Outubro /2021.
Nanoestruturas de Carbono 
 A última década do século XX foi marcada pela consolidação e crescimento 
vertiginoso de uma nova área do conhecimento: a nanociência e nanotecnologia 
(N&N).
 Dentre todos os novos materiais oriundos da N&N, talvez os mais sintomáticos 
são os conhecidos genericamente como nanomateriais de carbono, dos quais os 
nanotubos de carbono (NTC), e mais recentemente o grafeno, são os mais 
representativos.
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INTRODUÇÃO
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INTRODUÇÃO
Figura  1. Representação esquemática de diferentes alótropos de carbono: a) grafite; b) diamante; c) 
fulereno; d) nanotubo de carbono de parede simples; e) nanotubo de carbono de parede múltipla; f) grafeno
 A riqueza e diversidade do elemento carbono, tão familiar aos 
químicos orgânicos, se manifesta também na química de materiais 
e na N&N.
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NANOESTRUTURAS DE CARBONO
 Nanofibras de fulerenos
Figura 2. Estrutura atômica do fulereno (C60)
A família dos fulerenos 
compreendem estruturas em forma de 
gaiola de diferentes simetrias, 
contendo variados números de 
átomos de carbono. A estrutura 
atômica do seu membro mais 
conhecido, o C60, é ilustrada na 
Figura 2.
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NANOESTRUTURAS DE CARBONO
 Nanofibras de fulerenos
Figura 3. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão de nanofibras de fulereno. (a) Imagem geral. 
(b) Detalhe.
A Figura 3 mostra imagens obtidas por microscopia eletrônica de 
transmissão de nanofibras de fulerenos.
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NANOESTRUTURAS DE CARBONO
 Nanotubos de carbono
Figura 4. Estrutura atômica de um nanotubo de carbono em diferentes perspectivas
Outra classe de nanoestruturas são os chamados nanotubos de carbono 
(CNT). Um CNT consiste em uma camada de um átomo de espessura de 
carbono arranjado em uma rede hexagonal (ligações C–C hibridizadas em 
sp²), enrolado sobre si, como pode ser visto na Figura 4.
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NANOESTRUTURAS DE CARBONO
 Nanotubos de carbono
Figura  5. Visualização das possibilidades de formação de 
nanotubos a partir do vetor quiral, onde cada ponto 
corresponde a valores distintos de (n,m)
Sua estrutura é caracterizada pela 
sua quiralidade, relacionada ao 
ângulo entre a rede hexagonal e o 
eixo central do nanotubo 
conforme ilustrado na Figura 5, 
que por sua vez define o diâmetro 
e suas propriedades eletrônicas. A 
quiralidade do nanotubo é 
definida por dois inteiros (n,m). 
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NANOESTRUTURAS DE CARBONO
 Nanotubos de carbono
Figura  6. (a) Estrutura atômica de um nanotubo armchair 
(10,10). (b) Estrutura atômica de um nanotubo zigzag 
(10,0). (c) Estrutura atômica de um nanotubo chiral (10,4)
Nanotubos cujos valores de n e m 
são iguais são denominados 
nanotubos armchair, como 
exemplificado na Figura 6(a). Se 
um dado nanotubo tiver m = 0, 
conforme ilustrado na Figura 6(b), 
será definido como zigzag. Para 
quaisquer outros valores de n e m, 
será classificado como quiral 
(chiral); um exemplo é mostrado 
na Figura 6(c). 
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NANOESTRUTURAS DE CARBONO
 Nanotubos de carbono
Na Figura 7 são apresentadas imagens de microscopia eletrônica de varredura 
mostrando exemplos de: (a) nanotubos de carbono com nanopartículas de 
ferro e (b) nanotubos de carbono puros.
Figura 7. Imagens de microscopia eletrônica de varredura e de nanotubos de carbono com nanopartículas 
de Fe (a) e puros (b).
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NANOESTRUTURAS DE CARBONO
 Grafeno 
 Figura 8. – Estrutura atômica de uma folha de grafeno.
O grafeno é uma estrutura 
bidimensional cristalina de 
átomos de carbono arranjados
em rede hexagonal, ligados por 
ligações hibridizadas em sp², 
conforme ilustrado na Figura 8.
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NANOESTRUTURAS DE CARBONO
 Camadas de grafeno 
A imagem de microscopia óptica apresentada na Figura 9(a) mostra camadas 
de grafeno sobre silício. Na Figura 9(b) é apresentada imagem de 
microscopia eletrônica de transmissão, mostrando os arranjos hexagonais dos 
átomos em uma folha de grafeno.
Figura 9. Imagens de (a) microscopia óptica e (b) microscopia eletrônica de transmissão de grafenos.
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NANOESTRUTURAS DE CARBONO
 Dispositivos suspensos de nanofitas de carbono
A Figura 10 apresenta imagens de microscopia eletrônica de varredura 
mostrando o resultado da fabricação de dispositivos suspensos em microfios 
de ouro a partir da manipulação de nanofitas de carbono.
Figura 10. Imagens de microscopia eletrônica de varredura mostrando dispositivos suspensos em microfios 
de ouro a partir da manipulação de nanofitas de carbono. (a) Imagem geral. (b) Detalhe.
 Atualmente, existem diversos métodos de síntese de grafeno, cada um gerando 
materiais com particularidades diferentes, causadas por defeitos e contornos de 
grão;
 Além disso, as características de cada método levam a diferentes capacidades 
produtivas, com variedades mais uniformes de grafeno tendo um custo maior e 
capacidade produtiva menor;
 A exfoliação mecânica do grafeno gera grafeno com mínimas imperfeições, 
porém é inviável para produção em larga escala. Deposição Química de Fase 
Vapor (Chemical Vapour Deposition, ou CVD) é capaz de gerar grandes folhas 
de grafeno, porém o grafeno produzido é naturalmente policristalino, que contém 
contornos de grão e falhas, que acabam reduzindo as propriedades mecânicas e 
eletrônicas do material. 13
PREPARAÇÃO, PROCESSAMENTO, 
DESAFIOS ATUAIS E QUÍMICA
 A exfoliação mecânica do grafeno é totalmente dependente de rotas químicas. 
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PREPARAÇÃO, PROCESSAMENTO, 
DESAFIOS ATUAIS E QUÍMICA
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Figura 11: Representação esquemática do processo de oxidação do grafite para formação do óxido de 
grafite, seguido da exfoliação para formação de folhas individuais de óxido de grafeno, seguido de 
redução para formação de grafeno (ou óxido de grafeno reduzido).
 Embora existam alguns métodos de preparação de nanotubos de carbono, o 
método de deposição química de vapor (CVD – chemical vapor deposition) 
possibilita nos dias atuais a preparação de nanotubos de carbono em grande 
escala.
 Hoje já é possível a preparação de amostras com um alto grau de alinhamento 
entre os tubos (uns em relação aos outros). A preparação de amostras de 
nanotubos de parede simples com um rigoroso controle no diâmetro e na 
quiralidade ainda é um desafio, embora já existam relatos nesta direção.
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PREPARAÇÃO, PROCESSAMENTO, 
DESAFIOS ATUAIS E QUÍMICA
 A falta de um método de síntese eficiente e em grande escala é a principal 
barreira de entrada do grafeno no mercado. 
 Desta forma, o trajeto do grafeno no mercado se inicia em tecnologias menos 
impactantes, que utilizam o grafeno com mais defeitos e maior capacidade 
produtiva. 
 Um exemplo de aplicação viável atualmente são tintas condutíveis. Futuramente, 
com métodos de produção mais avançados, o material poderá atingir as 
expectativas criadas sobre ele.
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PREPARAÇÃO, PROCESSAMENTO, 
DESAFIOS ATUAIS E QUÍMICA
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NANOESTRUTURAS HÍBRIDAS E
SUPERESTRUTURAS DE CARBONO
 Além de poderem ser empregadas diretamente no desenvolvimento de novas 
tecnologias e dispositivos, as nanoestruturas de carbono apresentadas podem 
ser vistas como “blocos fundamentais” para criação de novos materiais com 
propriedades modificadas e aprimoradas para aplicações específicas, criando 
assim novos campos de aplicação.
 Diversos processos podem ser utilizados de forma a alterar as propriedades de 
nanotubos de carbono e grafeno, como funcionalização química, irradiação, 
aplicação de altas pressões entre outros. Os mesmos podem até combinar 
entre si, formando estruturas mais complexas. Como resultado, pode-se obter 
diferentes estruturas, como, por exemplo, as chamadas nanoestruturas 
híbridas e as superestruturas.
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NANOESTRUTURAS HÍBRIDAS E
SUPERESTRUTURAS DE CARBONO
 As nanoestruturas tradicionais abordadas anteriormente continham 
exclusivamente ligações sp².
 Nanoestruturashíbridas de carbono foram concebidas como a união de um ou 
mais domínios destas nanoestruturas, através de ligações covalentes (uma 
interface de ligações sp³, por exemplo) ou forças de van der Waals.
 O objetivo é tanto criar estruturas com propriedades diferenciadas, a fim de 
possibilitarem a criação de dispositivos inéditos, e/ou que atinjam maiores 
dimensões tal que possam ser mais efetivamente usadas no desenvolvimento 
de dispositivos práticos, contornando as dificuldades encontradas na aplicação 
de grafeno e nanotubos.
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NANOESTRUTURAS HÍBRIDAS E
SUPERESTRUTURAS DE CARBONO
 Tais estruturas híbridas podem ser classificadas em dois tipos: à base de CNTs 
e à base de grafeno.
Figura 12. Exemplos de nanoestruturas híbridas de carbono (Fonte: Lv et al, 2014)
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NANOESTRUTURAS HÍBRIDAS E
SUPERESTRUTURAS DE CARBONO
 
 
 
 Um exemplo de trabalho recente e relevante sobre este tipo de estrutura é o 
de Tour et al (2014), denominado Rebar Graphene. Neste trabalho foi 
sintetizado um híbrido de grafeno e nanotubos, onde os últimos agem como 
reforço estrutural, gerando um material com propriedades mecânicas e 
eletrônicas superiores e permitindo que uma lâmina de 1 cm² seja sintetizada e 
transferida para um substrato sem o uso de um polímero, algo que era muito 
limitante a medida que o polímero deixava resíduos no material e 
comprometia suas propriedades.
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NANOESTRUTURAS HÍBRIDAS E
SUPERESTRUTURAS DE CARBONO
 Superestruturas de carbono são estruturas onde as diversas nanoestruturas 
tradicionais se unem através de outros meios, como forças de Van der Walls, 
formando estruturas mais complexas, com maiores dimensões características.
 O uso de superestruturas pode ser uma solução para o limite de dimensões 
encontrado por nanoestruturas tradicionais, potencialmente atingindo a ordem de 
centímetros. O desafio é manter pelo menos parcialmente as propriedades físicas 
que agregaram valor a esses materiais no início.
 Em ambos os casos, o conceito de estrutura híbrida ou superestrutura foi proposto 
como uma alternativa à aplicação direta de grafeno ou nanotubos isolados, tendo 
como resultado uma estrutura com propriedades atrativas que mostra grande 
potencial para estudos futuros.
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Os nanotubos de carbono e grafeno possuem aplicações em várias áreas, e 
algumas delas serão brevemente sumarizadas a seguir, com destaque maior para os 
nanotubos de carbono:
1. Compósitos
2. Energia
3. Sensores e Biosensores
4. Eletrônica
5. Filmes finos
6. Meio ambiente
7. Catálise
DA APLICAÇÃO EM POTENCIAL 
AOS PRODUTOS REAIS
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Acompanhando a tendência mundial, a área de N&N experimentou um 
crescimento significativo no Brasil, o que pode ser comprovado pelo número de 
artigos, número de pesquisadores e número de grupos de pesquisa relacionados à 
área.
A N&N NO BRASIL
Figura 3. Distribuição regional dos grupos de pesquisa em nanotubos de carbono no país. Os números 
entre parêntesis correspondem ao número de grupos cadastrados em cada instituição (fonte: diretório 
dos grupos de pesquisa do CNPq).
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 Os nanotubos de carbono deixaram de ser uma promessa em potencial e 
atingiram o último estágio do desenvolvimento tecnológico, sendo 
comercializados como componentes de diversos produtos, dispositivos e 
sistemas.
 O grafeno se beneficiou muito da existência do nanotubo de carbono. Muito do 
conhecimento desenvolvido para os nanotubos foi adaptado para o grafeno.
 Hoje, o maior desafio da área consiste em preparar amostras estruturalmente 
perfeitas, com grandes tamanhos de folhas, com controle no número de folhas 
empilhadas (mono-, bi-, tri-camadas, etc.), e fundamentalmente, em grande 
quantidade.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
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 SILVEIRA, Julian Francisco Rama Vieira. ESTUDO DE PROPRIEDADES 
MECÂNICAS DE NOVAS NANOESTRUTURAS DE CARBONO ATRAVÉS DE 
SIMULAÇÃO MOLECULAR. 2016. 87 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Programa 
de Pós-Graduação em Engenharia Química, Departamento de Engenharia Química, 
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2016.
 ZARBIN, Aldo J. G.; OLIVEIRA, Marcela M.. NANOESTRUTURAS DE CARBONO 
(NANOTUBOS, GRAFENO): QUO VADIS?. Quimica Nova, São Paulo, v. 36, n. 10, 
p.1533-1539, out. 2013.
REFERÊNCIAS
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     OBRIGADA!
	Slide 1
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 15
	Slide 16
	Slide 17
	Slide 18
	Slide 19
	Slide 20
	Slide 21
	Slide 22
	Slide 23
	Slide 24
	Slide 25
	Slide 26