Nanotecnologia Orgânica

Dos nanotubos aos

polímeros condutores

2

Sumário

• Nanotecnologia

• Nanotubos de carbono

• Polímeros Condutores

3

O “início” da nanotecnologia

“What I want to talk about is the problem of manipulating and

controlling things on a small scale. …In the year 2000, when

they look back at this age, they will wonder why it was not

until the year 1960 that anybody began seriously to move in

this direction….”

Palestra proferida por Richard Feynman em 29 de dezembro de 1959 - CALTECH

4

Nanotecnologia

Ramo MULTIDISCIPLINAR da ciência que estuda as

estruturas, materiais e dispositivos menores que 100

nm com novas propriedades ou propriedades

melhoradas

Shewanella bacteria (shown in blue) forming

nanotubes. (Credit: Hor-Gil Hur, GIST)

5

6

7

Transistores 45 nm

8

Continuando a redução…

9

Abordagens

• Há duas abordagens usadas em nanotecnologia

• “Bottom-up” (de baixo pra cima)– Materiais e dispositivos são formados por componentes

moleculares que se arranjam quimicamente por

princípios de reconhecimento molecular.

• “Top-down" (de cima pra baixo)– Nano-objetos são construidos por materiais volumétricos,

através de tecnicas de redução de tamanho como litografia, corrosão

10

A tecnologia que realmente permitiu a

nanotecnologia

O microscópio de força atômica e o microscópio

de varredura por tunelamento foram as

ferramentas que permitiram o surgimento da

nanotecnologia como ciência “comum”.

Xintek tech.

11

Manipulando átomos - STM

Lutz e Eigler - Iron on Copper (111)

Eigler (1990) : Xenon on Nickel (110)

Eigler (1993)

12

Algumas aplicações potenciais

• Detecção e diagnóstico

• Algumas doenças não exibem sintomas reconhecíveis

até que atinja um nível bem avançado. Habitualmente,

quanto mais cedo for detectada a doença, melhores os

benefícios do tratamento.

• Cancer de mama– Atualmente detectavel (mamografia): tumor maior que um milhão de células.

• Nanosensores ou materiais nanométricos tem o potencial de serem milhões de vezes mais sensíveis que sensores “macros”. Devido a serem bastante reduzidos, também é possível construir detectores com centenas ou milhares de diferentes sensores no tamanho de um “dedo”, possibilitando o diagnóstico de milhares de doenças ao mesmo tempo.– Com o uso de nanosensores: detecção de tumor entre 100 a 1000 células.

Nanotubos de carbono

14

Um pouco de química orgânica

Ramo da química que estuda os compostos do carbono

Nem todos os materiais que tem carbono são considerados

orgânicos (ex.: dióxido de carbono, o ácido carbônico,

Grafite, diamante)

15

Formas do carbono

a) Diamante

b) Grafite

c) Lonsdalita

d) C60 (Buckminsterfulereno)

e) C540 Fulereno

f) C70 Fulereno

g) Carbono amorfo

h) Nanotubo de carbono de

parede única

grafeno

16

Nanotubos de carbono

Propriedades

Resistência a tração (63 GPa)

Um cabo de um milimetro poderia

Suportar 6,3 toneladas!

Cinética

Pode operar como telescópio

Elétrica

Pode ser condutor, semicondutor

e isolante (dependendo da orientação)

teoricamente suporta 4.109A/cm2

(cobre 1000 vezes menor)

Térmica (6000 W/mK)

Condução balística ao longo do tubo

17

Nanotubos de carbono - multicamada

Iijima S. Nature 1991;354:56.

18

Telescópio e balança

J. Cumings and A. Zettl, Science 289, 602 (2000)

P. Poncharal et al., Science 283, 1513 (1999)

Partícula de 22fg

19

Dispositivo com nanotubos de carbono

Ralph group – Cornell Univ

20

Como alinhar os nanotubos?

http://dx.doi.org/10.1002/adma.200601138

Adsorção seletiva de CNTs sobre

APTS(silano)

21

Transistores e sensores

S.J. Tans et al., Nature 393, 49 (1998)J. Kong et al., Science 287, 622 (2000)

22

Outras aplicações

Nanoheater (Fe)

Drug Delivery

Nanomola

Nano ressoador

Elevador espacial

Polímeros Condutores

24

O que é um polímero?

• Poli-muitos; mero – unidade

• Muitas unidades!

• Material cujas cadeias sao formadas por unidades

repetidas

25

Pergunta:

Os polímeros são materiais

isolantes?

Depende....

26

Dopagem!

27

Polímeros Conjugados (1)

28

Polímeros Conjugados (2)

29

• Casting;

• Spin casting;

• Langmuir-Blodegett (LB);

• Ink-jet;

• Self-assembly;

• In situ

Métodos

30

Processamento

Spin Coating

Glove box

31

Processamento

Langmuir – Blodgett (LB) Automontagem

32

Eletropolimerização

33

•Polímeros condutores

• Equipamentos

• Sensores

Principais áreas de aplicação - GEM

Dosímetros de

Radiação Gama

• Detecção de amonia em fazendas

• Nariz e língua eletrônica para:

Análise de alimentos

(café, suco de frutas, vinho)

Perfumes e aromas

Qualidade

Análise de água

Análise de combustíveis

• Sensores de pressão

• Transistores de filmes finos

• Sensores fotoelétricos

• Células solares

Sensores químicos

Organic light emitting diodes - OLEDs

Outros dispositivos

34

Tipos de OLEDs

35

Mercado para OLEDs

Worldwide OLED panel market, 2004-2012

Image: iSuppli Corp, Organic Light-Emitting

Diode Displays, 1H 2006

Image: iSuppli Corp, Organic Light-Emitting

Diode Displays, 1H 2006

36

OLED’s

Estrutura Típica

37

Aplicações OLEDs

38

OLEDs

39

OLED’s

Injeção e Transporte de Portadores

(1) - Injeção de portadores negativos pelo catodo

(2) - Geração de pólarons + e – (Campo Elétrico)

(3) - Geração de um écxiton singleto

(4) – Decai emitindo luz

(Fóton)

40

Estrutura Melhorada

Visa obter uma maior eficiência do dispositivo (PLED)

Nitreto de

Carbono (CN)

Nitreto de

Silício (SN)ÓxidoTransparente

HTLPolímero

ETLMetal

Encapsulamento

OLED’s

41

Diodos emissores de luz orgânicos - OLEDs

• Substratos flexíveis

• Diferentes cores

• Baixa tensão de operação

42

Células Solares

43

Transistores

44

Sensores

Time (h)

Cu

rren

t (A

)

0 5 10 15 20 25

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Exponential Growth

Chi^2 = 0.00005

R^2 = 0.99485

Ainf 0.311±0.015

Aini 0.234±0.014

k 0.0895±0.0135

Ab

so

rba

nce

(a

.u.)

Gamma Radiation Dose (kGy)

Sensores de amônia

Dosímetros de

radiação gama

45

Propriedades

Materiais

- espessura

- rugosidade

- condutividade

Ambiente

- pressão

- fluxo

- umidade

- temperatura

Sensores

- Controle de processos

- sinais eletricos

- reprodutibilidade

- sensibilidade

Camada ativa

Substrato

Eletrodos Interdigitados

46

E-Nose setup

47

Diferentes analitos – PEDOT:PSS 3000 rpm films

0 180 360 540 720 900 1080

0

1

2

3

4

5

6 Methanol

Ethanol

Iso-propanol

CK One

Eternity LE

Average 3000 rpm

Norm

aliz

ed R

esis

tance (

R-R

0)/

R0

Time (s)

0 200 400 600 800 1000 1200

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05Average 3000 rpm

No

rma

lize

d C

ap

acita

nce

(C

-C0)/

Co

Time (s)

Methanol

Ethanol

Iso-propanol

CK One

Eternity LE

• diferentes analitos: diferentes intensidades de sinais

• Resistência tem maiores variações do que capacitância

Ar e ar com analitos

48

Detecção de etanol e adulteração de combustível

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40 1000_1

1000_2

1000_3

3000_1

3000_2

3000_3

No

rma

lize

d R

esis

tance

(R

-R0)/

R0

Time (s)

100% ethanol

0% water

83% ethanol

17% water

56% ethanol

44% water

71% ethanol

29% water

100% ethanol

0% water

91% ethanol

9% water

0 600 1200 1800 2400-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

100% ethanol

0% water

56% ethanol

44% water

71% ethanol

29% water

83% ethanol

17% water

91% ethanol

9% water

100% ethanol

0% water

1000_1

1000_2

1000_3

3000_1

3000_2

3000_3

No

rma

lize

d C

ap

acita

nce

(C

-C0)/

C0

Time (s)

Ar, Ar com etanol e ar com etanol e agua

49

Influência da vazão – medidas de resistência

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 14000.0

4.0M

8.0M

12.0M

16.0M

20.0M

200 Nml/min

400 Nml/min

800 Nml/min

1200 Nml/min

Re

sis

tan

ce

(O

hm

s)

Time (s)

1600 Nml/min

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

1600 Nml/min

1200 Nml/min

800 Nml/min

400 Nml/min

1000_1

1000_2

1000_3

3000_1

3000_2

3000_3

200 Nml/min

No

rma

lized

Re

sis

tance (

R-R

0)/

R0

Time (s)

A vazão influencia fortemente a constante de tempo do

sinal e não necessariamente a intensidade máxima

Ar e ar com metanol

50

Discriminação de perfumes

-6 -4 -2 0 2 4-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

PC 1 77.8%

PC

2 1

4.5

%

EthanolCK OneEternity LEKrisLagoaTazo

-4 -2 0 2 4-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

PC 1 68.0%

PC

2 1

9.3%

EthanolCK OneEternity LEKrisLagoaTazo

CapacitânciaResistência

51

Vinhos

-6 -4 -2 0 2 4 6-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

Number of measurements: 12 - WINES01MAXGCMSA.xls

PC 1 36.0171%

PC

2 1

5.1

21

1%

Wine 1

Wine 2

Wine 3

-4-3-2-1012345

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Number of measurements: 45 - WINES013classes.xls

PC 1 43.2212%

PC

2 2

1.3

22

9%

Wine 1

Wine 2

Wine 3

GC-MSE-NOSE

52

Discriminação: leite, azeite e chocolate

53

Cancer de pulmão e doenças mentais

54

Conclusões

A nanotecnologia é o ramo da ciência que mais cresce, fruto das “menores”

descobertas!!!!

O carbono, tão essencial para a vida na Terra, agora mostra-se essencial

para o progresso tecnológico

O futuro é flexível!

Obrigado!