Nanomateriais

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    1. 1. NANOTECNOLOGIA Leonardo Artur Biazi Cristian Bernardi
    2. 2. De onde vem o nome “nano”?• 1 nano(do grego “anão”)metro = 1 nm = um bilionésimo de metro.• Tamanho de um átomo: 0,03 a 0,27 nm.• O nanometro é a menor dimensão prática da engenharia de materiais.• Nanoestrutura e a dimensão física entre 1nm a 100 nm – É a escala de comprimento de átomos e moléculas. – Abaixo de átomos, temos as partículas sub-atômicas. Porém, do ponto de vista prático, não as usamos (por enquanto) diretamente para construir nada.
    3. 3. Breve histórico• Hipótese atômica ( 500 AC Dalton): “átomos” são os elementos fundamentais indivisíveis do mundo material.• Teoria atômica (século 19): (1) elementos químicos distintos e (2) combinados em proporções fixas.• Realidade atômica (século 20) – Átomos obedecem a leis diferentes daquelas no “nosso” mundo. – Física Quântica.• Marco Histórico do interesse explícito pela nanociência e nanotecnologia → Físico Americano Richard Feynman “Alguma coisa estranha acontece lá embaixo”. (1959)
    4. 4. Nanotecnologia• Nanotecnologia somente se torna possível a partir do momento em que temos instrumentos para ver e manipular átomos e moléculas individuais.• Materiais nanométricos possuem novas propriedades físicas e químicas em relação aos materiais micrométricos.• Precisamos de instrumentos especiais e teorias que nos permitam entender os resultados que estes instrumentos geram, bem como novas técnicas de síntese de materiais.
    5. 5. Microscopia Eletrônica
    6. 6. Imagem de microscopiaeletrônica de transmissão a = 0,589 nm
    7. 7. Síntese de materiais nanoestruturados
    8. 8. Síntese química• Síntese de nanopartículas coloidais. – Processos químicos clássicos de síntese por via úmida. • Por via úmida é possível controlar a morfologia, estrutura, tamanho e a composição química.
    9. 9. Controle de tamanho e formaAu Ag AuT.C.R.Rocha, C. S. Novo, D. Zanchet, LNLS
    10. 10. Amostras sintetizadas na UFSCEsferas ocas de Ni-P Microplacas de SnOx Nanofibras MoS2 Diâmetro médio = (27 ± 4) nm 200 nm Dep. de Física - UFSC
    11. 11. Um produto nanotecnológico brasileiro Adotado pela Associação Brasileira de Indústrias do Café (ABIC) como provador oficial.
    12. 12. Língua EletrônicaGrupo do Dr. L. H. Mattoso/ CNPDIA/São Carlos Patente Internacional/Embrapa
    13. 13. NANOTUBOS DE CARBONODescobertos em 1991 por Kazuo IijimaNanotubos de carbono são tubos formados a partir da folha de grafenocom diâmetro em escala nanométrica.SWCNT´s – Single-wall Carbon Nanotubes – Prop. Elétricas e ÓticasMWCNT´s – Multi-wall Carbon Nanotubes – Prop. Mecânicas Nanotubos de carbono
    14. 14. NANOTUBOS DE CARBONO - SWCNT´sSua quiralidade define se o NTC será condutor ou semicondutor Armchair – Condutor ZigZag - Semicondutor Chiral – Semicondutor
    15. 15. NANOTUBOS DE CARBONO - SWCNT´s Propriedades e Aplicações dos SWCNT´s Grande superfície específica, geometria e condução elétrica de baixíssima perda. Células fotovoltaicas Sensores – gases, líquidos e de radiação; Fotocondutividade – Led´s e células fotovoltaicas; Piezoeletricidade – micro-motores; Sensores Armazenagem – enzimas, fármacos e hidrogênio; Outros dispositivos – transistores, FET, membrana de gases, cultura biológica e etc..Emissores de Campo
    16. 16. NANOTUBOS DE CARBONO - SWCNT´s Armazenamento de H2 nas células a combustívelNTC/LabMat – TEM/UFSC
    17. 17. NANOTUBOS DE CARBONO - MWCNT´sPropriedades e Aplicações dos MWCNT´sNTC possuem ligações sp2
    18. 18. NANOTUBOS DE CARBONO - MWCNT´sPossuem a maior resistência a ruptura sob tração conhecida, na ordemde 200 GPa, 100 vezes superior ao mais resistente aço com apenas 1/6 desua densidade.
    19. 19. NANOTUBOS DE CARBONO - MWCNT´s Propriedades e Aplicações dos MWCNT´s Incorporação – polímeros, metais e cerâmicas e fibras de carbono, buckypaper;Fibra de carbono com NTC extrusora Matriz polimérica Fita de MWCNT´s
    20. 20. NANOTUBOS DE CARBONO
    21. 21. NANOTUBOS DE CARBONO Propriedades ElétricasOs NTC são quase perfeitos condutores em 1D (uma direção).A baixas temperaturas, numa escala nanômetrica, observa-se fenômenos detunelamento e aproximada supercondutividade.O aumento da temperatura, assim como em qualquer condutor, diminui acondução em condutores e aumenta em semicondutores. Porém esse efeitoé menor nos NTC, devido a efeitos quânticos conhecidos como “líquido deLuttinger”.Em baixas temperaturas a densidade de corrente dos NTC éaproximadamente de 109 A/cm2, quase 1000 vezes maior que o Cobre.
    22. 22. NANOTUBOS DE CARBONOFatores LimitantesBaixa obtenção nos atuais processos (ablação a laser, CVD, discarga emarco elétrico, etc..)E o altíssimo custo de produção, sendo aproximadamente: 1g de MWCNT´s 15U$ 1g de SWCNT´s 500U$ Estimativa de produção
    23. 23. NANOMATERIAIS e APLICAÇÕES AtuaisProtetores solares e cosméticos – Nanopartículas de Ti02 e ZnO são utilizados emprotetores solares por refletem a radiação UV e são transparentes a luz visível.Compósitos – Utilizado nanopartículas e nanotubos normalmente. Melhorampropriedades mecânicas, óticas, elétricas e magnéticas dos materiais.Revestimentos e superfícies – Aumenta a resistência mecânica e de proteção contraintemperismo além de propriedades eletrônicas, catalíticas e superfícies quimicamentefuncionalizadas. Exemplo revestimento em pisos com nanopartículas de prata que temação antibactericida ou o TiO2 que possui propriedades hidrofóbicas.Ferramentas – Ferramentas mais resistents e mais duras são produzidas apartir denanocristais como o carboneto de Tungstênio, carboneto de Tantâlo e o carboneto deTitânio.
    24. 24. NANOMATERIAIS e APLICAÇÕES Curto PrazoPintura – Estuda-se pinturas que emitem luz quando submetido a campo elétrico. E aindapintas que sejam mais resistêntes a ambientes inóspitos. Estuda-se também pinturascom propriedades óticas de absorção e de condutividade.Agente Biológico* – Devido a grande área superficial estuda-se nanopartículas aplicadosem filtros de ar e água. (nanopartículas de ferro e NTC).Células Combustível – Armazenamento de H2. NTC.Displays – Já estao em fase de testes televisores e monitores com telas feitas apartir denanopartículas como ZnSe, ZnS, CdS. Esses displays apresentam maior brilho e menorconsumo energético.Aditivos no combustível – Óxido de Cério adicionado ao diesel melhora a eficiência docombustível.Baterias – com aparelhos cada vez melhor as fontes de energia devem ser cada vez maiseficientes, para isso já está sendo desenvolvido baterias com nanopartículas de Ni.
    25. 25. NANOMATERIAIS e APLICAÇÕES Longo PrazoLubrificantes – Nanopartículas de MoS2, Nitrato de Boro (hexagonal). Aplicação paramáquinas de alta performace como centrífugas nucleares e aplicação espacial.Cerâmicas – A diminuição do tamanha do grão aumenta a ductilidade da cerâmica.Nitreto de sílicio e Carbeto de sílicio.Implantes Médicos* – Materiais como TiO e NTC possuem alta resistência mecânica ebaixa corrosão.Materiais Magnéticos – Sendo desenvolvidos para aplicação em motores, equipamentosde ressonância magnética e microsensores. Outra área de grande aplicação é a daconstrução de dispositivos de armazenamento de dados. Existe uma nova era decomputadores surgindo conhecido como spin-tronic, todo seu funcionamento é baseadono spin do elétron.Aplicação Militar – Roupas militares que resistentes a agentes químicos e biológicos.Sendo desenvolvido pelo Institute of Soldier Nanotechnologies e por MassachusettsInstitute of Technology.
    26. 26. PRODUÇÃO DE NANOMATERIAIS
    27. 27. NANOTECNOLOGIADespesas públicas em nanotecnologiasem 2003
    28. 28. NANOTECNOLOGIADespesas públicas em nanotecnologiasem 2003 – outros países
    29. 29. NANOTECNOLOGIADespesas públicas em nanotecnologiasem 2003 – per capita
    30. 30. NANOTECNOLOGIA BenefíciosMaximização da eficiência dos materiais;Minimização na perda de matéria-prima;Baixo consumo elétrico, no caso de nanomateriais com funçãoeletro-eletrônica;Obtenção de novos materiais capazes de proporcionar odesenvolvimento tecnológico e ainda causar maior conforto,segurança, diminuindo a exploração dos recursos naturais.
    31. 31. Nanotecnologia – Possíveis riscos ao meio ambiente e a saúde .
    32. 32. • As mesmas características que tornam as nanopartículasinteressantes do ponto de vista de aplicação tecnológica, podemser indesejáveis quando essas são liberadas ao meio ambiente.• O pequeno tamanho das nanopartículas facilita sua difusão etransporte na atmosfera, em águas e em solos, ao passo quedificulta sua remoção por técnicas usuais de filtração.• Pode facilitar também a entrada e o acúmulo de nanopartículasem células vivas.• De modo geral, sabe-se muito pouco ou nada sobre abiodisponibilidade, biodegradabilidade e toxicidade de novosnanomateriais.• A contaminação do meio ambiente por nanomateriais com grandeárea superficial, boa resistência mecânica e atividade catalítica poderesultar na concentração de compostos tóxicos na superfície dasnanopartículas, com posterior transporte no meio ambiente.
    33. 33. VALE LEMBRAR QUE ....• NANOPARTÍCULAS SÃO AFETADAS POR EFEITOSQUANTICOS.• ESTES EFEITOS MUDAM O COMPORTAMENTOÓTICO, ELETRICO, MAGNÉTICO, RESISTÊNCIA.• NANOPARTÍCULAS PODEM SER QUIMICAMENTEMAIS REATIVAS.• ALGUMAS VEZES MATERIAIS DEIXAM DE SERINERTES EM NANOESCALA.
    34. 34. OS POSSÍVEIS PROBLEMAS ESTAO:• NATUREZA DAS NANOPARTICULAS;• CARACTERÍSTICAS DO PRODUTOS FEITOS;• PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ENVOLVIDOS;• QUAIS MATERIAIS SAO USADOS;• QUE REJEITO E PRODUZIDO;• SÃO USADOS PRODUTOS TÓXICOS NAFABRICAÇÃO DE PRODUTOS NANOS?;• O QUE ACONTECE QUANDO PARTICULAS E/OU PRODUTOS NANOS CHEGAM AO AR, SOLO,ÁGUA?.
    35. 35. POSSÍVEIS ROTAS DE EXPOSICAO PARA NANOPARTICULAS E NANOTUBOS
    36. 36. FORMAS DE CONTAMINAÇÃO NA CADEIA ALIMENTAR
    37. 37. FORMAS DE CONTAMINACAO NO SER HUMANO • Por inalação • Por ingestão • Pela pele
    38. 38. Por inalaçãoOs alvéolos são formados por uma fina camada de célulasenvolvidas por uma rede de capilares. É nos alvéolos queocorre a hematose que consiste na troca do CO2 pelo O2. 500 nm é a distancia entre o sangue e o ar Nanoparticulas podem preencher esses alvéolos , o que aconteceria ?
    39. 39. Por ingestão Suco digestivo Enzima pH ótimo Substrato ProdutosSistema digestivo Saliva Ptialina neutro polissacaríde maltose os Suco gástrico Pepsina ácido proteínas oligopeptídeos peptídeos proteínas peptídeos Quimiotripsina alcalino proteínas maltose Tripsina alcalino polissacaríde ribonucleotídeo Amilopepsina alcalino Suco pancreático os s Rnase alcalino RNA desoxirribonucl Dnase alcalino DNA eotídeos Lipase alcalino lipídeos glicerol e ácidos graxos oligopeptíde aminoácidos Carboxipeptidas alcalino os aminoácidos e alcalino oligopeptíde aminoácidos Aminopeptidase Suco intestinal alcalino os glicose Dipeptidase ou entérico alcalino dipeptídeos glicose e Maltase alcalino maltose frutose Sacarase alcalino sacarose glicose e Lactase lactose galactose Como as nanoparticulas reagiriam com o sistema digestivo ?
    40. 40. Pela pele• A pele é o órgão que envolve o corpo determinando seu limite com o meio externo.Corresponde a 16% do peso corporal e exerce diversas funções, como: regulação térmica, defesa orgânica, controle do fluxo sanguíneo, proteção contra diversosagentes do meio ambiente e funções sensoriais (calor, frio, pressão, dor e tato).• A pele é um órgão vital e, sem ela, a sobrevivência seria impossível.• As nanoparticulas possuem um tamanho menor do que o poro da pele, ou seja, elasentram no poro. Exemplo: TiO2 nanometrico já tem sido utilizado em protetor solar para combater os raios UV e queimaduras, porem, o artigo frisa que não foram realizados estudos detalhados sobre a penetração dessas partículas. Como as nanoparticulas reagem no interior da pele?
    41. 41. A lei americana sobre a nanotecnologiaEm Dezembro de 2003 o presidente americano assinou a 21stCenturyNanotechnology Research and Development Act (Lei do Século XXI daPesquisa e Desenvolvimento em Nanotecnologia), um mês depois de ser enviadapelo Congresso americano,onde foi aprovada em menos de um ano de tramitação.
    42. 42. Os principais pontos da lei são os seguintes:i Criado o Programa Nacional de Nanotecnologia e um Conselho Nacional deNanotecnologia, com fins de estabelecer os objetivos, prioridades etc.ii As atividades do Programa incluem o financiamento de pesquisas, a formação de redes e acriação de estabelecimentos de pesquisas multidisciplinares em nanotecnologia, fomentara criação de empresas e a inovação industrial e garantir aos EUA a liderança mundial nosetor.iii O Conselho será supervisionado pelo Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia.iv O Conselho deverá detalhar planos diretores trienais.v O Conselho deverá elaborar relatórios anuais para serem aprovados nas Comissões demérito de ambas as Casas do Congresso.vi No relatório anual a ser apreciado, estará prevista a dotação orçamentária para o próximoano fiscal.vii Foi criada a figura de um Conselho Consultivo, com membros da sociedade civilescolhidos pelo presidente da república.viii Foi preestabelecido que deverão ser realizados dois estudos iniciais:a) "Auto-montagem" molecular: verificar a viabilidade da "auto-montagem" molecularpara a manufatura de materiais e dispositivos em escala molecular.b) Desenvolvimento Responsável da Nanotecnologia: verificar a necessidade deestabelecer padrões, linhas de trabalho ou estratégias visando o desenvolvimentoresponsável da nanotecnologia que deverá incluir:(1) máquinas ou dispositivos "auto-copiáveis";(2) condições de lançamento ao meio-ambiente dessas máquinas;(3) encriptação (criptografia, ocultar, dados);(4) desenvolvimento de tecnologias de defesa;(5) o uso da nanotecnologia para o melhoramento da inteligência humana;(6) uso da nanotecnologia para o desenvolvimento da inteligência artificial.
    43. 43. BIBLIOGRAFIAhttp://www6.ufrgs.br/lacer/gmn/nanotubosbr.htm - acessado dia 26 deAgosto de 2007;http://www.em.pucrs.br/~eleani/Protegidos/4-%20propriedades%20mecanicas.ppt –acessado dia 26 de Agosto de 2007;Fortunato E.; As metas da nanotecnologia: Aplicações e Implicações, Centro deInvestigação de Materiais: Departamento de Ciência dos Materiais; UniversidadeNova de Lisboa – FCT. Janeiro 2005The Royal Society & The Royal Academy of Engineering - Nanoscience andnanotechnologies: opportunities and uncertainties. July 2004Jinquan Wei,Hongwei Zhu, Dehai Wu, Bingqing Wei; Carbon nanotube filamentsin household light bulbs; Louisiana State University; applied physics letters volume84, number 24; 25 May 2004.
    44. 44. BIBLIOGRAFIAValentin N. Popov; Carbon nanotubes: properties and application; Laboratoirede Physique du Solide, A Review Journal, Materials Science and EngineeringR 43 (2004) 61–102, Faculte´s Universitaires Notre-Dame de la Paix, Belgium;2003.

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