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ESZM002-17 - Nanociência e Nanotecnologia (2-0-2) 1 Aula 6 – 29/04/2020 ECE – Estudos Continuados Emergenciais Prof. Everaldo Carlos Venancio E-mail: nanocienciananotec@gmail.com Site do curso: http//sites.google.com/site/nanocienciaufabc Superfícies Sólidas • Estabilização de Nanoestruturas • Estabilização eletrostática (Aula 6-ECE) • Estabilização estérica (Aula 7-ECE) 2 Mecanismo de fabricação de nanopartículas utilizando fase gasosa ou métodos de obtenção de colóides em fase líquida; Os métodos diferem apenas na formação das primeiras moléculas formadas para a geração dos núcleos (vaporização ou precipitação por meio de reações químicas; O núcleo pode ser amorfo ou cristalino, resultando em uma nanopartícula amorfa ou cristalina; Devido à sua instabilidade intrínseca (elevada energia superficial) as nanopartículas podem formar aglomerados (que podem ser dispersos) ou agregados (não podem ser dispersos - irreversível). Pode ser disperso Não pode ser disperso Átomos / Moléculas Nucleo Nanopartículas Aglomerado Agregado Energia de Superfície Átomos ou moléculas na superfície de um sólido possuem poucos vizinhos (número de coordenação); Ligações de superfície não satisfeitas; Assim, o comprimento de ligação entre os átomos da superfície e seus vizinhos imediatos localizados no interior da nanopartícula é menor do que dos átomos localizados no interior da nanopartícula; Estas diferenças nos comprimentos de ligação resulta em uma diminuição significação dos parâmetros de rede da nanopartícula; Energia de Superfície • A energia extra que os átomos de superfície possuem é descrita como energia de superfície (ou energia livre superficial, tensão superficial); A energia de superfície (), por definição, é a energia necessária para aumentar uma unidade de área da “nova” superfície: G = energia livre de Gibbs A = área da superfície T = temperatura P = pressão ni = número de mol de átomos i 𝛾 = 𝜕𝐺 𝜕𝐴 𝑛𝑖,𝑇,𝑃 Energia de Superfície • Vamos considerar a separação de um material sólido retangular em dois pedaços idênticos; • Nas novas superfícies criadas, cada átomo estará localizado em um ambiente assimétrico e mover-se-á em direção ao interior do sólido devido às ligações (coordenações) não satisfeitas (quando o átomo está localizado na superfície); • Assim, uma força extra é necessária para colocar os átomos em suas posições originais; • Esta nova superfície é considerada como sendo ideal (perfeita), também chamada de superfície singular; novas superfícies criadas Energia de Superfície • Para cada átomo presente nesta nova superfície, a energia necessária para colocar o átomo em sua posição original será igual ao número de ligações quebradas (coordenações não satisfeitas), Nb, multiplicada pela metado da energia de ligação, : onde a é a densidade atômica superficial, o número de átomos por unidade de área na nova superfície; 𝛾 = 𝑁𝑏( 1 2 𝜀)𝜌𝑎 Este modelo é apenas uma estimativa da energia de superfície de um sólidos Energia de Superfície Neste modelo não são consideradas a interações entre os átomos presentes na superfície e os átomos localizados em posições mais afastadas no interior da nanopartícula; Este modelo assume que o valor de (energia de ligação) é o mesmo para todos os átomos da nanopartícula; Não considera efeitos entrópicos e de variações de pressão-volume; Após o processo de relaxação superficial, ou seja, após o processo de descolamento dos átomos em direção ao interior da nanopartícula, ou após um processo de reconstrução superficial, a energia de superfície será menor do que a calculada pela equação acima; 𝛾 = 𝑁𝑏( 1 2 𝜀)𝜌𝑎 Este modelo é apenas uma estimativa da energia de superfície de um sólidos C o n te ú d o A d ic io n a l - A p o io Vamos considerar uma estrutura cúbica de face centrada (FCC) (Face-Centered Cubic) com parâmetro de rede a: Energia superficial em diferentes faces: Família {100} Família {110} Família {111} C o n te ú d o A d ic io n a l - A p o io C o n te ú d o A d ic io n a l - A p o io Família de planos {100}: • Na face {100} cada átomo tem quatro ligações químicas não satisfeitas (quebradas); Nb = 4 Família de planos {110}: • Na face {110} cada átomo tem cinco ligações químicas não satisfeitas (quebradas); Nb = 5 Família de planos {111}: • Na face {111} cada átomo tem três ligações químicas não satisfeitas (quebradas); Nb = 3 𝛾{100} = 𝑁𝑏( 1 2 𝜀)𝜌𝑎=(4)( 1 2 𝜀)( 2 𝑎2 )= 4𝜀 𝑎2 𝛾{110}= 5 2 𝜀 𝑎2 𝛾{111}=2 3 𝜀 𝑎2 • Área superficial por unidade de volume calculada em função do tamanho do nanomaterial (nanomaterials com diferentes formas); • A dimensão atômica/molecular assumida foi de 0,5 nm e a densidade da partícula igual a 1g/cm3. Sistema coloidal Sistemas coloidais são fases finamente dispersas em um meio (aquoso ou não aquoso); As partículas apresentam movimento Browniano; sempre haverá colisões entre as partículas; A estabilidade depende do tipo de interação predominante na colisão; Sistema coloidal As interações possíveis são (i) atrativas e (ii) repulsivas: (i) Atrativas: forças de van der Waals (dipolo permanente - Keeson; dipolo induzido - Debije; dipolos transitórios – London); alcance de 5-10 nm; (i) Repulsivas: repulsão eletrostática ou decorrentes de efeitos estéricos; Sistema coloidal As interações possíveis são (i) atrativas e (ii) repulsivas: (i) Atrativas dominam: as partículas perdem estabilidade; (i) Repulsivas dominam: as partículas permanecem na forma de uma suspensão coloidal; as partículas permanecem no estado disperso, estável; Mecanismos de Estabilização • À medida que a dimensão da nanoestrutura é diminuida, forças de atração de van der Waals tornam- se importantes; • Se nenhum mecanismo de estabilização atuar sobre o sistema, os materiais nanoestruturados rapidamente formam aglomerados; • Estes mecanismos de estabilização são aplicados em nanopartículas (0-D), nanobastões e nanofios (1-D). 15 Mecanismos de Estabilização • Eletrostática: –Estabilidade cinética (tempo); • Estérica: –Estabilidade termodinâmica; 16 Estabilização Eletrostática • Densidade de carga superficial: – Quando um sólido está em contato com solvente polar ou em uma solução eletrolítica, ocorrerá a formação de cargas na superfície do sólido; – Ocorre também a formação de uma diferença de potencial elétrico 17 Estabilização Eletrostática – Mecanismos: 1. Adsorção preferencial de íons; 2. Dissociação de espécies carregadas na superfície; 3. Substituição isomórfica de íons; 4. Acumulação ou diminuição de elétrons na superfície; 5. Adsorção física de espécies carregadas na superfície. 18 Estabilização Eletrostática • Potencial de eletrodo, E: – E0 = potencial padrão do eletrodo quando a atividade é unitária (ai = 1); – zi = valência dos íons; – F = constante de Faraday; • Esta equação mostra que o potencial varia com a concentração das espécis i; • Materiais: – Materiais não condutores ou dielétricos, óxidos; – Metais. E= E0+ RT zi F ln (ai) (Nernst) 19 Estabilização Eletrostática • A carga superficial de óxidos surge devido à dissolução ou deposição de íons; • Íons adsorvidos na superfície de um sólido determinam a carga superficial; 20 Estabilização Eletrostática • Em óxidos metálicos (que contem grupos M-OH na superfície), estes íons são geralmente prótons (H+) ou íons hidroxílas (OH-), sendo que a concentração destas espécies é descrita pelo pH, pH = -log(H+); • A medida que aconcentração de H+ ou OH- varia, a densidade de carga superficial varia desde um valor positivo a até um valor negativo (e vice-versa); 21 M-OH + OH- M-O- + H2O M-OH + H+ M-OH2 + Estabilização Eletrostática • Ponto de carga zero (point of zero charge,p.z.c.): é quando a concentração de H+ e OH- resulta em uma condição de carga superficial nula; • pH > p.z.c. – Superfície do óxido está carregada negativamente; – Superfície do óxido recoberta com íons OH-; • pH < p.z.c. – Superfície do óxido carregada positivamente; – Superfície recoberta com íons H+; 22 23 Estabilização Eletrostática • A densidade de carga superficial ou potencial de superfície pode ser determinado da seguinte forma (eq. De Nernst): • Em T = temperatura ambiente (= 25 oC = 298,15 K): E= 2,303 RT F [( p . z .c .)− pH ] E≈ 0,606 [( p. z .c .)− pH ] 24 Estabilização Eletrostática • Potencial Elétrico nas Proximidades da Superfície do Sólido: – Dupla Camada Elétrica (d.c.e): • Duas camadas: camada de Stern; camada de Gouy (difusa); • Separadas pelo plano de Helmholtz; • Entre a superfície do sólido e o plano de Helmholtz, o potencial elétrico varia linearmente; 25 26 • Ilustração esquemática da estrutura da dupla camada elétrica e do potencial elétrico próximo à superfície do sólido (nanopartícula); • A carga superficial, neste caso, é considerada positiva (+). Plano de deslizamento (cisalhamento) Camada difusa (Camada de Gouy) Plano de Helmholtz Camada de Satern Proporcional ao potencial zeta Estabilização Eletrostática • Potencial Elétrico nas Proximidades da Superfície do Sólido: – A variação de potencial elétrico na região de Gouy (camada difusa): – Onde h > H; H = espessura da camada de Stern; – = parâmetro de Debye-Huckel; está relacionado à espessura da d.c.e., 1/ (cm): F = constante de Faraday; 0 = constante dielétrica do vácuo; r = constante dielétrica do solvente; ci = concentração do íon i; zi = valência do íon i; 27 κ = 𝐹2 (𝑐𝑖)(𝑧𝑖 2)𝑖 𝜀𝑜𝜀𝑟𝑅𝑇 E ∝ 𝑒−κ(ℎ−𝐻) Proporcional à força iônica (I): I = 1 2 (𝑐𝑖)(𝑧𝑖 2) 𝑖 Estabilização Eletrostática • Potencial Elétrico nas Proximidades da Superfície do Sólido: – Estas equações mostram claramente que o potencial elétrico nas proximidades da superfície do sólido: – Diminui com o aumento da concentração e da valência do contra íons; – Aumenta com a constante dielétrica do solvente; 28 κ = 𝐹2 (𝑐𝑖)(𝑧𝑖 2)𝑖 𝜀𝑜𝜀𝑟𝑅𝑇 E ∝ 𝑒−κ(ℎ−𝐻) Estabilização Eletrostática • Potencial Elétrico nas Proximidades da Superfície do Sólido: – Altas concentrações e altas valências dos contra íons resulta em uma redução de ambas as camadas de Gouy e Stern; – A camada difusa de Gouy terminaria em um ponto onde o potencial elétrico é zero, o que ocorre no infinito (teoria); na prática, a d.c.e. tem aproximadamente 10 nm ou mais. 29 Estabilização Eletrostática • Potencial Elétrico nas Proximidades da Superfície do Sólido: – Interação entre partículas: é complexo!! – Quando separadas (as partículas), não ocorre sobreposição da d.c.e.; portanto a força repulsiva é zero; – Quando duas partículas se aproximam, pode ocorrer sobreposição das d.c.e., surgindo uma força repulsiva; 30 Estabilização Eletrostática • Potencial Elétrico nas Proximidades da Superfície do Sólido: – Para duas partículas esfericas idênticas e de raio r, separadas por uma distância S, a repulsão eletrostática será: ΦR= 2πε r ε0rE 2 e − κS 31 Estabilização Eletrostática • Potencial de Atração de van der Waals: – Importante para partículas pequenas (menor do que alguns micrometros); a força gravitacional é desprezível; – Nanopartículas esféricas: força de van der Waals é importante em distâncias relativamente pequenas; – O movimento Browniano garante que ocorra colisão entre as partículas; 32 Estabilização Eletrostática • Potencial de Atração de van der Waals: – A combinação de movimento Browniano e forças de van der Waals pode resultar na formação de aglomerados de nanopartículas; – A integração de todas as componentes de força entre duas moléculas presentes (soma de todas as moléculas) nas duas partículas esféricas de raio r, separadas por uma distância S; 33 34 Estabilização Eletrostática • Potencial de Atração de van der Waals: Quando S for muito pequeno e menor do que o raio da partícula, S/r << 1, a equação da força de atração de van der Waals pode ser aproximada para: A = é uma constante positiva, constante de Hamaker (10-19 a 10-20 J); ΦA= − Ar 12 S 35 36 Outras simplificações: Estabilização Eletrostática • Potencial de Atração de van der Waals: – As equações anteriores podem ser aplicadas para nanopartículas; – Para moléculas, a interação é representada pela expressão abaixo: • A interação entre duas partículas é diferente da interação entre duas moléculas; • A força de atração entre duas partículas diminui mais lentamente em função da distância (diferente da interação entre duas moléculas). 37 Φ𝐴 ∝ − 1 𝑆6 Estabilização Eletrostática • Potencial de Atração de van der Waals: – A força de atração entre duas partículas diminui mais lentamente e extende-se à distâncias de nanometros; – Assim, deve existir uma barreira de energia potencial para prevenir a aglomeração e agregação: (i) Repulsão eletrostática; (ii) Exclusão estérica. 38 Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – A interação total entre duas partículas, as quais estão estabilizadas eletrostaticamente, é uma combinação da força de atração de van der Waals e da força de repulsão eletrostática: – A estabilização eletrostática de partículas em uma suspensão é bem descrita pela teoria de DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey- Oberveek); RAT Φ+Φ=Φ 39 Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – Condições de contorno da teoria de DLVO: 1. Superfície sólida, plana e de dimensão infinita; 2. Densidade de carga superficial uniforme; 3. Não ocorre redistribuição de carga na superfície (o potencial elétrico permanece constante); 4. Não ocorre variação de perfil de concentração de ambos os contra íons e dos íons H+ e OH- (o potencial elétrico permanece constante); 5. A influência do solvente somente ocorre por meio de sua constante dielétrica (não ocorre reação química entre as partículas e o solvente); 40 Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – Durante o processo de aproximação de duas partículas ocorre o aparecimento de: • Um mínimo secundário e um primário de energia potencial; • Um máximo de energia potencial (Vmax); 41 Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – O mínimo secundário ocorre quando as partículas estão relativamente próximas, sendo uma consequência das interações atrativas de van der Waals; – O máximo (Vmax) é uma consequência do potencial de repulsão eletrostática; neste caso, a repulsão elétrica supera as forças atrativas de van der Waals; este máximo é conhecido como barreira repulsiva. 42 43 Variação da energia potencial DLVO: VA = potencial de atração de van der Waals; VR = potencial de repulsão eletrostática ; Energia potencial total Distância entre as superfícies mínimo secundário mínimo primário E n e rg ia p o te n c ia l Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – Máximo de energia potencial (Vmax) – Barreira repulsiva: • Se a barreira é maior do que ~ 10 kT, a colisão entre as partículas (movimento Browniano) não resultará na sobreposição da barreira; portanto, não ocorrerá aglomeração;• Esta barreira de potencial é fortemente influenciada pela concentração e pela valência dos contra íons; • Um aumento na concentração e na valência dos contra íons resulta em uma queda mais acentuada do potencial elétrico. 44 45 Espessura da dupla camada elétrica E n e rg ia t o ta l d e i n te ra ç ã o ( ) Distância de separação S0 (10 -6 cm) Variação da energia total de interação () entre duas partículas esféricas, em função da distância de separação S0 entre as superfícies das partículas, para diferentes espessuras da dupla camada elétrica (-1) obtidas por meio do uso de diferentes concentrações de eletrólitos monovalentes (cargas +1 e -1). A concentração do eletrólito é C (mol.L-1). J.T.G. Overbeek. Journal of Colloids and Interfaces Sciences, vol.58, p.408, 1997. Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – O mínimo secundário não ocorre em todos os sistemas; este mínimo somente ocorre quando a concentração de contra íons é suficientemente alta; – Se o mínimo secundário é estabelecido, as partículas tendem a interagir uma com a outra, resultando no processo conhecido como floculação; 46 Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – Quando as partículas estão muito próximas, de forma que ocorre a sobreposição das d.c.e., resulta no aparecimento de uma força repulsiva; – A medida que a distância entre as partículas diminui, a força repulsiva aumenta e atinge um máximo quando a distância entre as superfícies das duas partículas iguala-se à distância entre a barreira repulsiva e a superfície; 47 A repulsão ocorre devido à sobreposição das d.c.e. (e não devido a densidade de carga superficial) 48 Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – Fluxo osmótico: quando as duas d.c.e. sofrem sobreposição, a concentração das espécies na d.c.e. aumenta significativamente; – As d.c.e. tendem a manter suas concentrações e equilíbrio originais de contra íons; – Como resultado, as concentrações originais no estado de equilíbrio de contra íons e dos íons H+ e OH- nas d.c.e. variam; 49 Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – Para restaurar as condições de equilíbrio, mais solvente precisa fluir até a região de sobreposição das duas d.c.e.; ocorre a formação de um fluxo osmótico de solvente; – Como consequência do fluxo osmótico, ocorre repulsão entre as partículas; – A força osmótica somente desaparece quando a distância entre as duas partículas iguala-se ou torna-se maior do que a soma das espessuras das d.c.e. 50 Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – Condições para a aplicação da teoria de DLVO: 1. A dispersão deve estar muito diluida; 2. Nenhuma outra força está presente; 3. A geometria da partícula deve ser relativamente simples; 4. A dupla camada elétrica é puramente difusiva; 51 Estabilização Eletrostática • Interação Entre Duas Partículas: Teoria DLVO – A estabilização eletrostática é limitada pelos seguintes fatores: 1. É um método de estabilização cinético; 2. Somente se aplica a sistemas diluídos; 3. Não pode ser aplicado a sistemas que são sensíveis ao eletrólito (que reagem com o eletrólito); 4. É praticamente impossível dispersar partículas aglomeradas; 5. É difícil de se aplicar a sistemas multifásicos, desde que em uma dada condição, diferentes sólidos desenvolvem diferentes cargas superficiais e potencial elétrico; 52 Potencial Zeta • Potencial elétrico no plano hidrodinâmico de cisalhamento; • Fatores importantes: Agente de estabilização (dispersante); Depende do pH ou força iônica do meio • A interação entre as partículas depende da magnitude do potencial zeta (não somente por sua carga de superfície); • Estabilidade das partículas (carga): • Quanto maior sua magnitude, maior o potencial elétrico associado às partículas; • Durante a colisão, as forças de repulsão eletrostáticas superam a tendência natural de aglomeração; Medida do potencial Zeta(): Mobilidade eletroforética • Quando partículas em suspensão são submetidas à ação de um campo elétrico, as partículas carregadas são atraídas para o campo e carga oposta; • A mobilidade eletroforética (UE) é a velocidade da partícula no meio sob ação do campo; • Equação de Henry: relação entre a mobilidade eletroforética (UE) e o potencial zeta (). 𝑈𝐸 = 2𝜀𝑟𝑓(𝜅𝑎) 3 εr = constante dielétrica do meio, η = viscosity f(κa) = função de Henry’s 𝑈𝐸 = 𝑉𝑝 𝐸𝑥 m/s Volt/cm Sob a ação de um campo elétrico (microeletroforese), cada partícula e os íons mais fortemente ligados à mesma se movem como uma unidade, e o potencial no plano de cisalhamento entre essa unidade e o meio circundante é chamada potencial zeta(). Partícula carregada com cargas negativa mover-se-á em direção ao anodo Velocidade ou mobilidade Campo elétrico FE = força devido à ação do campo elétrico aplicado Q = carga na superfície E = campo elétrico aplicado FV = forças devido à viscosidade = viscosidade v = velocidade da´partícula Direção resultante V = velocidade da partícula = mobilidade E = campo elétrico aplicado = potencial zeta = viscosidade = constante dielétrica do líquido a = raio da partícula 1/ = espessura da dupla camada elétrica a = raio de ação da carga a >> 1, usar modelo de Smoluchowski (padrão) Ex.: [sal] = 0,001 M; a = 100 nm; a ~10 a < 1, usar modelo de Huckel A espessura da dupla camada elétrica é pequena quando comparado com o diâmetro da partícula; A espessura da dupla camada elétrica é muito maior do que o diâmetro da partícula; Ângulo de espalhamento (medidas de espalhamento de luz) Bibliografia Recomendada 1. CAO, Guozhong. Nanostructures and nanomaterials: synthesis, properties and applications. London: Imperial College Press, 2004. 2. Referências citadas nos slides.
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