Os Nanotubos de Carbono

Prof. Dr. Luis Alberto Terrazos Javier

Centro de Educação e Saúde da UFCG

O elemento Carbono

O sexto elemento mais abundante no Universo

tem três estados de hibridização

possibilita a formação de estruturas complexas: DNA ou Proteínas

Alótropos do Carbono

Diamante Grafite

• O grafite é o material mais rígido e o diamante é o mais duro• O diamante e o grafite apresentam o mais alto ponto de fusão• O diamante e o grafite tem a maior condutividade térmica• O diamante é isolante e o grafite é condutor da eletricidade • O diamante é transparente e o grafite é opaco

Descoberta dos fullerenos, 1985

Em 1985, os químicos Harold Kroto, da Universidadede Sussex (Reino Unido), James Heath, Sean O’Brien,Robert Curl e Richard Smalley – estes da Universidadede Rice (Estados Unidos)

Em 1996, Smalley, Kroto e Curl ganharam o prêmio Nobel de química por essa descoberta

C60

Descoberta dos Nanotubos de Carbono, 1991Em 1991, Sumio Iijima observou com um Microscópio deTransmissão Eletrônica, nanotubos de carbono de multicamada na amostra de fullerenos produzidos via descarga de arco.

Em 1993, foi demonstrada a existência de nanotubos de única camada

Dimensão do Nanotubo de Carbono

O DNA possui uma largura de 2,5 nm

O diâmetro de um nanotubo é de 1 nm

largura média do cabelo humano 80.000 nm

Estrutura do Nanotubo

nmmn

mn

aCaC hh

22

1

11

2cos

cos.

Diâmetro do Tubo

Ângulo Quiral ()

),(21 mnamanCh

Vetor Quiral (Ch)

2122 )(. nmmnaccL

Ld

cchh

t

(0,0)(1,0)(2,0)(3,0)(4,0)(5,0)(6,0)(7,0)(8,0)

(1,1)

(2,2)

(3,3)

(4,4)

(5,5)

Zig-Zag

Arm-chair

Propriedades Eletrônicas

Ângulo Quiral : = 30o

Nanotubo Arm-chair, (n,n)

Nomenclatura : m=n então (n,n)

na

d cct

3

Diâmetro :

Propriedade Eletrônica: metal

Exemplo: (2,2) dt = 0,3 nm(6,6) dt = 0,8 nm(9,9) dt = 1,2 nm

Ângulo Quiral : = 0o

Nanotubo ZigZag, (n,0)

Nomenclatura : m=0 então (n,0)

na

d cct

3

Diâmetro :

Propriedade Eletrônica: semimetal n-m=3p semicondutor n-m3p (p é um inteiro)

Exemplo: Semimetal: (3,0) dt = 0,23 nm (6,0) dt = 0,5 nmSemicondutor: (4,0) dt = 0,3 nm (8,0) dt = 0,4 nm (10,0) dt = 0,8 nm

0o < < 30oÂngulo Quiral :

Nanotubo Quiral, (m,n)

Nomenclatura : mn então (m,n)

Propriedade Eletrônica: semimetal n-m=3p semicondutor n-m3p (p é um inteiro)

Exemplo: Semimetal: (4,1) dt = 0,36 nm = 110 (5,2) dt = 0,5 nm = 160

Semicondutor: (3,2) dt = 0,31 nm = 00 (4,3) dt = 0,48 nm = 0,440

Propriedades Mecânicas Modulo de Young (Y)

Nos mostra o grado de elasticidade do material.

Nanotubo Y ~ 4 x1012 N/m2

Diamante Y = 1,25 x 1012 N/m2

Ferro Y = 0,21 x 1012 N/m2

Aço Y = 0,2 x 1012 N/m2

Aplicações: Compósitos altamente resistentes, fibras de carbono.

Tensile Strenght

Resistência a ruptura quando se aplica tensão.

Nanotubo 22 x109 N/m2

100 vezes maior!!!!!!!!Aço 44 x 107 N/m2

O tubo se comporta mais como um canudo elástico, pois quandoa força externa é removida, os defeitos induzidos pela força se reorganizam e o tubo volta a sua estrutura original.

Propriedades Térmicas

Alta Condutividade Térmica

É um bom condutor de elétrons e do calor

Condutividade do calor:

Diamante 3320 W/m.K

Nanotubo 6600 W/m.K

Estudo Teórico dos Nanotubos de Carbono Calculo da Estrutura Eletrônica

Equação de Khon-Sham (tipo Equação de Schrödinger

)()()(2

22

rErrVm lmlmlm

xcNNNeee VVVVrV )(

Potencial Eletrostático

Métodos de Primeiros PrincípiosFull-Potential Linear Augmented Plane Wave ( FP-LAPW)

• Teoria funcional da Densidade• Potencial total• Orbitais atômicos e Ondas Planas como funções de base• Espaço recíproco • Sistemas periódicos

Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms (SIESTA)

• Teoria funcional da Densidade• Pseudo Potencial• Orbitais atômicos• Sistemas não periódicos, sistemas com muitos átomos

Estrutura de Bandas do Grafite

(10,0)semicondutor

(9,0)metal

Nanotubos de Carbono - Aplicações

Carbon nanotube field effect transistor(Dekker)

Nanotubos de Carbono - Aplicações

Biocompatíveis

São citotóxicos – contato com eles mata as células

Uma micrografia de fluorescência mostra células de ovário dehamster ligadas a nanotubos de carbono recobertas com um polímero parecido com mucina.

Nanotubos de Carbono - Aplicações

Músculos Artificiais

Alkali Metal Doping of Carbon Nanotubes in the Low-Concentration Regime: Non-Homogeneous Deformations and Defect States

• L. A. Terrazos1 and R. B. Capaz2

• 1Centro de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande • 2Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro e Divisão de Metrologia de Materiais, Inmetro

Experimental Motivation Theoretical Simulation

Estrutura de Bandas do nanotubo semicondutor (10,0)

a) Nanotubo Puro b) Impureza K

EF EF

-20 -10 0 10 20-100

-80

-60

-40

-20

0

q

(10

-3)

(e/a

tom

)

Z (Å)

= 0,0

Charge Distribution

-20 -10 0 10 20-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10123

L//

(10

-3)

(Å

)

z (Å)

=0

Parallel Strain Deformation

-20 -10 0 10 20-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.0

LI (

10-3)

(Å

)

z (Å)

=0.16

Perpendicular Strain Deformation Strain Deformation Average

Estrutura do Grafeno Grafite

Folhas de Grafeno

Elétrons “relativísticos” (Dirac ) em sistemas da matéria condensada em 2DGrafeno

Abstract

Supercélula de 448 átomos, espaço entre os planos é de 20 Å

Ponto de Dirac

Estrutura de Bandas do Grafeno

Revisitando o defeito Stone-Wales em GrafenoL. A. Terrazos1 and R. B. Capaz2

1Centro de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande 2Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro e Divisão de Metrologia de Materiais, Inmetro

O defeito Stone-Wales é um defeito topológico que ocorre em grafeno e nanotubos de carbono.

Este defeito é importante tanto no crescimento de fullerenos como no mecanismo de deformação plástica de nanotubos sob tensão.

A pesar de extensivamente estudado sob o ponto de vista teórico, ainda há uma considerável variação nas energias e barreiras de formação reportadas. Resultados mais recentes sugerem energias de formação de cerca de 5 eV e barreiras em torno de 9 eV, que tornariam estes defeitos bastante improváveis em grafeno não tensionado.

Defeito Stone-Wales

C-Cab = 1.32 Å, C-Cbc = 1,45 Å (defeito Stone-Wales)

C-CAB = 1.42 Å (grafeno puro)

Densidade de Estados

grafenototal

SWtotal

SWf EEE

Energia de formação do defeito Stone-Wales )( SWfE

SWtotalE Energia total do defeito em grafeno

grafenototalE Energia total do grafeno puro

EfSW

5.61 eV (GGA)

5.14 eV (LDA)

4.8 eV [6]

[6] L. Li, S. Reich e J. Robertson, Phys. Rev. B 72, 184109 (2005).