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BIBLIOTECA DO INSTITUTO DE QUÍMICA
UNICAMP

 
TESE DE DOUTORADO
 
Autora: Rezende, Camila Alves de
Título: Auto-Organização de Nanopartículas Utilizando Padrões Formados por Transição de Molhabilidade
Ano: 2007
Orientador: Prof. Dr. Fernando Galembeck
Coorientadora: Dra. Lay-Theng Lee
Departamento: Físico-Química
Palavras-chave: Nanopartícula, Transição de molhabilidade, Filme, Auto-organização
Resumo: Neste trabalho, estudou-se um método original para auto-organizar nanopartículas de sílica e de ouro utilizando padrões formados no processo de transição de molhabilidade de filmes aquosos contendo poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) e o surfactante dodecil sulfato de sódio (SDS). A transição de molhabilidade é um processo em que a superfície livre de um filme líquido fino inicialmente uniforme torna-se instável e se deforma levando à ruptura do mesmo e à formação de estruturas micro ou nanométricas sobre o substrato. Este estudo mostra que essas estruturas podem ser utilizadas para induzir a auto-organização de nanopartículas em padrões complexos. Soluções poliméricas e dispersões contendo nanopartículas são depositadas sobre substratos sólidos e analisadas, após a secagem, por microscopia eletrônica de transmissão (TEM), microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia de força atômica (AFM). A técnica de refletância de nêutrons foi utilizada para obter informações quantitativas sobre a adsorção de nanopartículas na interface e avaliar os efeitos da interação entre as nanopartículas e superfícies hidrofílicas e hidrofóbicas. Dois fatores principais influenciam os padrões formados: a hidrofilicidade do substrato e as interações partícula-substrato. Os filmes depositados sobre superfícies hidrofílicas (mica) espalham-se espontaneamente e secam formando padrões e estruturas auto-organizadas que dependem da densidade de carga sobre o polímero e da temperatura. Em baixa temperatura e densidade de carga, forma-se um padrão de rede poligonal. O aumento na temperatura ou na densidade de carga favorece o surgimento de estruturas mais alongadas. Em substratos hidrofóbicos (silício nanocristalino e grafite), o líquido não se espalha completamente e os padrões de nanopartículas formados não refletem morfologias características formadas por transição de molhabilidade, como as que são observadas sobre a mica. Além disso, resultados obtidos por TEM e refletância de nêutrons indicam adesão das partículas aos substratos hidrofóbicos que é favorecida pela adsorção polímero-substrato. Nanopartículas de ouro e de sílica foram organizadas com sucesso sobre mica, utilizando os padrões formados pela transição de molhabilidade das soluções de polímero carregado, formando estruturas bidimensionais complexas como redes poligonais, estruturas alongadas organizadas em trilhas, fios de partículas e gotas. Sob condições de secagem bem controlada, esses padrões reprodutíveis estendem-se por centenas de mícrons sobre o substrato. Esse método simples e efetivo não requer o uso de modificações químicas ou de superfícies pré-padronizadas e é bastante promissor para a fabricação de nano e micro dispositivos.
Abstract: In this work, we study an original method to promote self-assembly of gold and silica nanoparticles using patterns formed by dewetting of aqueous solutions of poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and sodium dodecylsulfate (SDS). Dewetting is a process where the free surface of an initially stable thin liquid film becomes unstable and deforms to engender rupture and formation of micro or nanostructures on the substrate. We show in this study that these dewetting morphologies can be applied as template to induce complex pattern formation of nanoparticles on a solid substrate. Dispersions containing the nanoparticles and polymer solutions are spread on a solid substrate. Microscopy teehniques, transmission and scanning electron microscopy (TEM & SEM) and scanning probe microscopy (SPM), are used to characterize the morphologies of the dry samples. Neutron reflectivity is used to obtain quantitative information on nanoparticle adsorption at the interface, thus allowing an evaluation of the effects of nanoparticle-substrate interactions. Two major factors are found to influence pattern formation: substrate hydrophilicity and particle-substrate interactions. On a hydrophilic substrate (mica), the aqueous films spread spontaneously and form dewetting and nanoparticle patterns that depend on polymer charge density and drying temperature. At reduced charge density and low temperature, a polygonal network is formed. At increased charge density and temperature, elongated structures are favored. On hydrophobic substrates (nanocrystalline silicon and graphite), the liquid does not spread eompletely and nanoparticle patterns do not reflect characteristic dewetting morphologies. In addition, TEM and neutron reflectivity results indicate particle-substrate adhesion on hydrophobic substrates that is mediated by the polymer-substrate adsorption. Dewetting of thin films of charged polymer solutions on a hydrophilic solid substrate provides an alternative method to template nanoparticle organization. For gold and silica nanoparticles, complex bidimensional patterns, including polygonal network, aligned elongated chains and nanoparticle yarns, are obtained. Under well-controlled drying conditions, these reproducible patterns are formed over large areas eovering hundreds of microns in size. This simple and effective method does not require chemical modifications or prepatterned surfaces and represent a promising method to nano and micro fabrication.
Arquivo (Texto Completo): vtls000432921.pdf ( tamanho: 8,81MB )

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