Prova_2_com resposta

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<p>Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro</p><p>Instituto de Tecnologia – Departamento de Engenharia Química</p><p>Disciplina IT743 – Nanociência e Nanotecnologia dos Materiais</p><p>Professor: João Victor Nicolini</p><p>1</p><p>PROVA IT743 2020.2</p><p>Questão 1 (2,0 pontos) - Com o objetivo de produzir biossensores, nanotubos de titanato foram</p><p>funcionalizados em três etapas, conforme Figura 1. Na etapa 1 foi empregado o agente de</p><p>funcionalização APTMS e na etapa 2 o agente 1,4-BQ. Após a etapa 2, uma biomolécula será</p><p>imobilizada para obtenção do biossensor.</p><p>Figura 1 – Etapas de funcionalização de nanotubos de titanato para fabricação de biossensores.</p><p>Para verificar a funcionalização em cada etapa, foram realizadas medidas em Espectroscopia</p><p>no Infravermelho (FTIR), conforme resultados da Figura abaixo. Primeiramente o FTIR foi</p><p>realizado nos nanotubos de titanato antes da etapa 1 (curva 1), nos nanotubos de titanato</p><p>funcionalizados pela etapa 1 (curva 2) e nanotubos de titanato funcionalizados pela etapa 2</p><p>(curva 3). Com base nas informações apresentadas na Tabela 1 e nas Figuras 1 e 2, explique</p><p>os resultados observados, destacando se os nanotubos foram funcionalizados.</p><p>Figura 2 – Resultados de FTIR para as etapas de funcionalização.</p><p>Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro</p><p>Instituto de Tecnologia – Departamento de Engenharia Química</p><p>Disciplina IT743 – Nanociência e Nanotecnologia dos Materiais</p><p>Professor: João Victor Nicolini</p><p>2</p><p>Tabela 1 – Comprimento de onda para as principais ligações químicas</p><p>Número de onda (cm-1) Atribuição</p><p>3500 – 3000 OH (estiramento)</p><p>1630 OH (deformação angular)</p><p>1030 Si-O-Ti (estiramento)</p><p>1120 Si-O-Si (estiramento)</p><p>890 Si-OH (estiramento)</p><p>996 SiO-H (vibração do H)</p><p>2926 O-CH3 (estiramento assimétrico)</p><p>1400 - 1300 CH2 (modos de vibração)</p><p>1510 N-H (deformação angular)</p><p>1225 C-N (deformação axial)</p><p>1450 C=N (estiramento)</p><p>1430 C-O-H (deformação angular)</p><p>1200 C-O (estiramento)</p><p>1000 COOH (estiramento)</p><p>Pela observação da curva 1, é possível identificar o grupo OH que está presente no nanotubo,</p><p>pelos vales em cerca de 3500 cm-1 e o vale em 1630 cm-1 que correspondem a ligação OH.</p><p>Após a primeira etapa de funcionalização com APTMS, novos vales (curva 2) podem ser</p><p>identificados no nanotubos. Os vales de 3500 e 1630 permaneceram, e novos vales em</p><p>comprimentos de onda inferiores a 1630 podem ser observados. Em 1510 e 1225 cm-1,</p><p>representam as ligações da amina e da cadeia carbônica, respectivamente, adicionados durantes a</p><p>etapa 1, os demais vales não identificados, podem ser associados as ligações de SiOTi, e a outras</p><p>ligações da cadeia carbônica recém adicionada. Por este resultado, é possível concluir que a</p><p>funcionalização dos nanotubos pela etapa 1 foi bem sucedida.</p><p>Após a etapa 2 de funcionalização (curva 3), não é possível notar mudanças significativas no</p><p>espectro do FTIR em comparação a curva 2. A adição de um anel aromático deveria gerar um</p><p>vale bem característico, assim como a ligação C=O, porém não é possível observar tais</p><p>mudanças. Logo, a etapa de funcionalização 2 não foi bem sucedida.</p><p>Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro</p><p>Instituto de Tecnologia – Departamento de Engenharia Química</p><p>Disciplina IT743 – Nanociência e Nanotecnologia dos Materiais</p><p>Professor: João Victor Nicolini</p><p>3</p><p>Questão 02 (2,0 pontos)</p><p>Fibras ultrafinas de dextrana foram fabricadas pela técnica de eletrospinning, utilizando água</p><p>como solvente. Os efeitos da concentração da solução e tensão superficial na aparência</p><p>morfológica e tamanho das fibras obtidas foram investigados e os resultados são apresentados</p><p>a seguir.</p><p>Figura 3 – MEV das nanofibras sintetizadas por eletrospinning.</p><p>Tabela 2 - Resultados da síntese.</p><p>Comente a influência dos resultados de tensão superficial para os diâmetros observados em</p><p>eletrospinning.</p><p>Com o aumenta da concentração da solução, nota-se um aumento do diâmetro da fibra</p><p>produzida. Isto está associado ao fator de que, com o aumento da concentração, mais</p><p>moléculas do precursor estarão na solução. Desta forma, haverá uma maior interação entre as</p><p>cadeias poliméricas do precursor, fazendo com que essas se entrelacem. Com o</p><p>entrelaçamento, haverá um aumento da viscosidade da solução, que fará com que essa tenha</p><p>uma maior resistencia ao escoamento. Essa maior viscosidade modifica o cone de Taylor</p><p>formado na ponta da agulha, levando a um aumento do diâmetro da fibra formada.</p><p>O principio da tecnica de eletrospinning é utilizar um potencial elétrico para vencer as forças</p><p>coesivas geradas pela tensão superfícial. Logo, quando menor a tensão superfícial, mas fácil</p><p>é a realização da técnica e menor é o diâmetro da partícula, caso os potencial eletricos de</p><p>comparação sejam os mesmo para as diferentes tensões superfíciais. Nos resultados obtidos,</p><p>a diminuição da tensão superfícial não influenciou o resultado final, pois a variação da</p><p>tensão foi muito pequena, e o aumento da concentração levou ao aumento do diametro da</p><p>nanofibra. Para que a tensão superfícial tenha maior influencia no diametro final, é</p><p>necessário o uso de um agente sufactante que diminua consideravelmente tensão superfícial.</p><p>Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro</p><p>Instituto de Tecnologia – Departamento de Engenharia Química</p><p>Disciplina IT743 – Nanociência e Nanotecnologia dos Materiais</p><p>Professor: João Victor Nicolini</p><p>4</p><p>2</p><p>Questão 03 (3,0 pontos)</p><p>Uma série de nanopartículas de SiO2 (SiNP) e de SiO2 funcionalizadas com grupos amino (NH2)</p><p>foram sintetizadas através de um método de Stöber para posteriores testes em sistemas de “drug</p><p>delivery”. Diferentes técnicas foram empregadas para caracterização das nanopartículas,</p><p>conforme apresentadas na tabela abaixo.</p><p>Tabela 3 – Resultados experimentais sobre a síntese das SiNP.</p><p>Amostra Potencial zeta</p><p>(mv) pH 6</p><p>Espalhamento de</p><p>luz dinâmico (nm)</p><p>Microscopia</p><p>eletrônica de</p><p>transmissão (nm)</p><p>SiO2 SiNP1 -29,1 242 221</p><p>SiNP2 -27,7 465 432</p><p>SiNP3 -21,0 823 788</p><p>SiO2</p><p>funcionalizadas</p><p>SiNP4 -54,1 254 222</p><p>SiNP5 -60,2 488 432</p><p>SiNP6 -61,4 845 787</p><p>(a) Explique os resultados de potencial zeta observados para as nanopartículas de sílica não</p><p>funcionalizadas e funcionalizadas com grupos amino. (1,0 pontos)</p><p>Obs: Dissociação dos grupos silanol: 𝑆𝑖𝑂𝐻 ↔ 𝑆𝑖𝑂 + 𝐻+</p><p>𝑆𝑖𝑂𝐻 ↔ 𝑆𝑖𝑂− + 𝐻 (pH = 3)</p><p>Dissociação dos grupos amino: NH2 + H2O ↔ NH3</p><p>+ + OH- (pH = 8,8 a 10,9)</p><p>(b) Quais nanopartículas provavelmente serão mais estáveis em solução? Justifique. (1,0</p><p>pontos)</p><p>(c) De acordo com o modelo proposto por Stern-Gouy-Chapman, qual a influência da força</p><p>iônica nas medidas de potencial zeta? (1,0 pontos)</p><p>(d) Explicar a diferença observada entre o Espalhamento de luz dinâmico e a MET.</p><p>A – Os potenciais zetas observados para as nanopartículas não funcionalizadas representam a carga</p><p>superficial das nanopartículas puras. Em pH 6, considerado como um meio ácido, ocorre a liberação</p><p>de íons H+, que se associam a superfície do SiO2, o que o torna negativo.</p><p>Com a funcionalização das nanopartículas com o grupo amino, ocorre a adsorção deste grupo na</p><p>superfície da nanopartícula, que em pH 6, recebe elétrons, tornando a carga superficial da</p><p>nanopartícula ainda mais negativa, o que diminui seu potencial zeta.</p><p>B – As nanopartículas funcionalizadas SiNP6 serão as mais estáveis em solução por possuírem</p><p>menores valores de potencial zeta. Isto significa, que a carga superficial das nanopartículas está</p><p>fortemente carregada negativamente, o que ocasiona em altas forças de repulsão entre as partículas,</p><p>permitindo que essas fiquem em solução de forma estável.</p><p>C-- O potencial zeta representa a densidade de carga no plano de cisalhamento da dupla camada</p><p>elétrica segundo o modelo de Stern-Gouy-Chapman. Com o aumento da força iônica, isto é, o</p><p>aumento dos ions em solução, maior será o tamanho da dupla camada elétrica, e como o</p><p>potencial</p><p>zeta é medido após essa duplas camada, mais imprecisa será a medição devido a</p><p>distância. Logo, quanto menor a força iônica, menor será o tamanho da dupla camada</p><p>elétrica, e maior será a precisão do potencial zeta.</p><p>Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro</p><p>Instituto de Tecnologia – Departamento de Engenharia Química</p><p>Disciplina IT743 – Nanociência e Nanotecnologia dos Materiais</p><p>Professor: João Victor Nicolini</p><p>5</p><p>Questão 04 (3,0 pontos) - O seguinte estudo comparou as técnicas de Microscopia de força</p><p>atômica (AFM) e Espalhamento de luz dinâmico (DLS) para caracterização do tamanho de</p><p>nanopartículas de poliestireno. A Figura 4 e Tabela 4 apresenta os principais resultados de cada</p><p>uma das técnicas empregadas.</p><p>Figura 4 - Resultados de medidas dos tamanhos das nanopartículas pelas técnicas de (A)</p><p>DLS) e (B) AFM.</p><p>Tabela 4 - Resultados das medidas de tamanho.</p><p>Tamanho das</p><p>nanopartículas</p><p>(nm)</p><p>Proporção</p><p>volumétrica</p><p>Tamanho nominal</p><p>do fabricante</p><p>DLS (A) (nm) AFM (B) (nm)</p><p>100 - 102 ± 3 114 ± 2,3 99,1 ± 5,6</p><p>20 - 21 ± 1,5 22,8 ± 0,4 15,6 ± 4,6</p><p>Mistura de 20,100 5:1 - 109,4 ± 2,0 14,9 ± 3,8</p><p>95,3 ± 3,8</p><p>Mistura de 20,100 1:5 - 245 ± 17,6 15,8 ± 4,7</p><p>98,2 ± 6,4</p><p>Explique os resultados observados na Tabela 4 para medida dos tamanhos das nanopartículas</p><p>apresentadas de acordo com as técnicas empregadas. Não esqueça de explicar as diferenças</p><p>observadas.</p><p>O DLS realiza a medição do diametro das nanopartículas através do movimento browniano,</p><p>logo esta análise ocorre em meio aquoso. Desta forma, ocorre a formação de um raio</p><p>hidrodinâmico ao redor das nanopartículas devido a interações eletrostáticas entre o líquido e</p><p>a partícula. O DLS mede o diâmetro da nanopartícula juntamente com o raio hidrodinâmico, o</p><p>que leva a um aumento do diametro em relação ao diâmetro real da nanopartícula.</p><p>D – A MET utiliza um feixe de elétrons para realizar a medição do tamanho de partícula dos</p><p>nanomateriais, o que permite a está técnica determinar com precisão o tamanho das</p><p>nanopartículas. Já o espalhamento de luz dinâmico, utiliza de um feixe de luz para medi o</p><p>tamanho das partículas em solução. Em solução, é formada uma camada de solvente ao redor</p><p>da nanopartícula, diâmetro hidrodinâmico, o espalhamento de luz mede o raio da</p><p>nanopartícula junto ao raio hidrodinâmico, o que leva a um valor de raio maior que o real</p><p>tamanho da nano partícula.</p><p>Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro</p><p>Instituto de Tecnologia – Departamento de Engenharia Química</p><p>Disciplina IT743 – Nanociência e Nanotecnologia dos Materiais</p><p>Professor: João Victor Nicolini</p><p>6</p><p>Esta técnica é qualitativa, pois devido as flutuações do movimento browniano e ao raio</p><p>hidrodinâmico a tecnica não consegue diferenciar com precisão partículas com tamanhos</p><p>muito diferentes, o que se observa na 3 coluna da tabela 4, na qual a técnica entrega uma</p><p>média de todas os diâmetros medidos.</p><p>Já o AFM, por realizar uma análise qualitativa e quantitativa da nanopartículas, é capaz de</p><p>determinar o tamanho real das mesmas utilizando um braço de cantilever com uma ponteira</p><p>nanometrica, que faz uma varredura em toda superfície da amostra, dando como resultado</p><p>uma imagem tridimencional da amostra. Por essa varredura, a análise é capaz de entregar o</p><p>real tamanho das nanopartículas, mesmo em amostras que misturam varios tamanhos. -</p>