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BIBLIOTECA DO INSTITUTO DE QUÍMICA
UNICAMP

 
TESE DE DOUTORADO
 
Autor: Valadares, Leonardo Fonseca
Título: Estudo Microscópico de Adesão de Partículas Nanométricas
Ano: 2009
Orientador: Prof. Dr. Fernando Galembeck
Departamento: Físico-Química
Palavras-chave: Adesão, Nanopartículas, Microscopia
Resumo: A adesão de fases nanométricas é um tópico de crescente interesse científico por ter implicações na fabricação e nas propriedades de novos materiais nanoestruturados. A hipótese explorada nesse estudo é: fases imiscíveis mas molháveis pela água podem aderir desde que sejam misturadas e secas a partir de dispersões aquosas e possuam cargas em sua superfície. Esta hipótese é detalhada no seguinte mecanismo: primeiro, durante o processo de secagem, as partículas são aproximadas até o contato por forças de adesão capilar. Em segundo lugar, no sólido seco, as partículas, mesmo que tenham mesma carga, são atraídas pelos cátions provenientes do soro, que formam pontes iônicas entre as superfícies e originam a adesão eletrostática. Para verificar esta hipótese, pares de diversos tipos de nanopartículas foram misturados em meio aquoso e deixados secar, sendo o resultado da secagem analisado por microscopia eletrônica e de sonda. A microscopia eletrônica de transmissão por energia filtrada (EFTEM) foi explorada intensamente, utilizando um novo protocolo experimental que possibilita a análise de partículas e agregados espessos (> 500 nm). Em todos os casos observados, partículas das diferentes fases permanecem em contato após a secagem, revelando que as forças capilares são eficazes para unir nanopartículas molháveis. No caso de misturas de montmorilonita cálcica e látex estirenoacrílico foi observado que os íons Ca estão localizados em domínios onde a argila e o látex estão superpostos, evidenciando a formação de pontes iônicas. A contribuição da energia eletrostática para a adesão de interfaces carregadas foi calculada utilizando um modelo formado por três superfícies paralelas, no qual uma superfície com cargas positivas está disposta entre duas superfícies que possuem cargas negativas. Os cálculos mostraram que em condições análogas às de uma interface formada por látex estireno-acrílico e montmorilonita, a contribuição eletrostática na interface pode alcançar valores de -200 kJ.mol. Esses valores verificam resultados experimentais obtidos em ensaios de tração. O modelo de adesão eletrostática foi empregado no preparo de materiais nanocompósitos de PET e argila, obtendo-se materiais com tensão na ruptura superior à do polímero puro. Uma outra parte da tese descreve a síntese de nanomotores autoimpulsionados. Estes são dubletos formados por uma partícula de sílica aderida a uma partícula de platina. A superfície da platina catalisa a decomposição do peróxido de hidrogênio em solução aquosa criando gradientes de tensão superficial que impelem os dubletos, produzindo movimentos não-Brownianos.
Abstract: The adhesion of nanometric phases is a topic of increasing scientific interest due to its importance for the production and properties of new nanostructured materials. This study explores the following hypothesis: immiscible and wettable particles carrying charges with same signal can adhere provided that they are mixed in aqueous dispersion and dried out. This hypothesis is detailed in the following mechanism: first, during the drying process the particles are attracted and placed in close contact due to the capillary adhesion forces. Second, the evenly charged particles in the resulting dry solid are counterbalanced by counter-ions from the serum, forming ionic bridges between the surfaces, that account for electrostatic adhesion. To verify this hypothesis, pairs of many nanoparticles types were mixed in aqueous medium and dried out. The resulting samples were analyzed by electron and probe microscopy. The energy filtered transmission electron microscopy (EFTEM) was extensively explored thanks to a new experimental protocol that allows the analyses of thick particles and aggregates (> 500 nm). In every case, the different phases remain in contact with each other after drying, showing that electrostatic forces are able to unite evenly charged particles. In the case of calcium montmorillonite and styrene-acrylic latex, Ca ions are located in domains in which the clay and the latex are superimposed, evidencing ionic bridge formation. The contribution of the electrostatic energy to the adhesion of charged interfaces was calculated using a model of three parallel surfaces, in which a positively charged surface is in between two negatively charged surfaces. Calculations have shown that in conditions analogous to the styrene-acrylic latex and montmorillonite interface, the electrostatic contribution in the interface can reach values as high as -200 kJ.mol and these results are verified using experimental data from mechanical testing. The electrostatic adhesion model was used to prepare PET and clay nanocomposite materials, obtaining materials with tensile strength higher than the pristine polymer. The final section of the thesis describes self-propelled nanomotors synthesis. These are doublets made of a silica particle adhered to a platinum particle. Platinum surface catalyses the hydrogen peroxide decomposition in aqueous solution creating a surface tension gradient that propels the dimers, producing non-Brownian motion.

Arquivo (Texto Completo): 000446403.pdf ( tamanho: 5,30MB )

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