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 Universidade
de Sussex (Reino Unido), James Heath, Sean O’Brien,
Robert Curl e Richard Smalley – estes da Universidade
de Rice (Estados Unidos)
Em 1996, Smalley, Kroto e Curl ganharam o prêmio Nobel
de química por essa descoberta
C60
Descoberta dos Nanotubos de Carbono, 1991
Em 1991, Sumio Iijima observou com um Microscópio de
Transmissão 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 diâmetro de um
nanotubo é de 1 nm
largura média do
cabelo humano
80.000 nm
O DNA possui uma
largura de 2,5 nm
Estrutura do Nanotubo
Vetor Quiral (Ch)



Ch  na1  ma2  (n, m)
Ângulo Quiral ()
 
 
Ch .a1  Ch a1 cos
Diâmetro do Tubo
dt 
L
m


n


1
2

  cos 
 n 2  m 2  nm 





1
 
2
2
L  ch .ch  ac c (n  m  nm) 2
Arm-chair
(5,5)
(4,4)
(3,3)
(2,2)
Zig-Zag
(8,0)
(1,1)
(7,0)
(6,0)
(5,0)
(4,0)
(3,0)
(2,0)
(1,0)
(0,0)
Propriedades Eletrônicas
Nanotubo Arm-chair, (n,n)
Nomenclatura : m=n então (n,n)
Ângulo Quiral :  = 30o
Diâmetro :
dt 
3ac c

n
Propriedade Eletrônica: metal
Exemplo:
(2,2)
dt = 0,3 nm
(6,6)
dt = 0,8 nm
(9,9)
dt = 1,2 nm
Nanotubo ZigZag, (n,0)
Nomenclatura : m=0 então (n,0)
Ângulo Quiral :  =
0o
Diâmetro : d t 
Propriedade Eletrônica:
semimetal n-m=3p
semicondutor n-m3p (p é um inteiro)
Exemplo:
Semimetal: (3,0) dt = 0,23 nm
(6,0) dt = 0,5 nm
Semicondutor: (4,0) dt = 0,3 nm
(8,0) dt = 0,4 nm
(10,0) dt = 0,8 nm
3ac c

n
Nanotubo Quiral, (m,n)
Nomenclatura : mn então (m,n)
Ângulo Quiral :
0o <  < 30o
Propriedade Eletrônica:
semimetal n-m=3p
semicondutor n-m3p (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 quando
a 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 2

  V (r ) lm (r )  Elm lm (r )

 2m

Potencial Eletrostático
V (r )  Vee  VNe  VNN  Vxc
Métodos de Primeiros Princípios
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•
•
•
•
Full-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 de
hamster 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: NonHomogeneous Deformations and Defect States
•
•
•
1Centro
L. A. Terrazos1 and R. B. Capaz2
de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande
de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro e Divisão de Metrologia de Materiais, Inmetro
2Instituto
Experimental Motivation
Theoretical Simulation
Estrutura de Bandas do nanotubo semicondutor (10,0)
EF
a) Nanotubo Puro
EF
b) Impureza K
Charge Distribution
Parallel Strain Deformation
(Å)
-20
-3
-40
-60
 = 0,0
-80
-100
-20
-10
0
10
20
Z (Å)
-3
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
=0.16
-20
-10
0
z (Å)
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
 =0
-20
-10
0
10
20
z (Å)
Perpendicular Strain Deformation
LI (10 ) (Å)
L// (10 )
-3
q (10 ) (e/atom)
0
10
20
Strain Deformation Average
Estrutura do Grafeno
Grafite
Folhas de
Grafeno
Elétrons “relativísticos” (Dirac ) em sistemas da matéria condensada
em 2D
Grafeno
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 Grafeno
L. A. Terrazos1 and R. B. Capaz2
1Centro
de Educação e Saúde, Universidade Federal de Campina Grande
de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro e Divisão de Metrologia de Materiais, Inmetro
2Instituto
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 = 1.42 Å (grafeno puro)
C-Cab = 1.32 Å, C-Cbc = 1,45 Å (defeito Stone-Wales)
Densidade de Estados
Energia de formação do defeito Stone-Wales ( E SW
f )
E
SW
f
E
SW
total
E
grafeno
total
SW
Etotal
 Energia total do defeito em grafeno
grafeno
Etotal
 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).