Résultats et interprétations

O módulo de Young (módulo de elasticidade) é um parâmetro mecânico que pro- porciona uma medida da rigidez de um material sólido. É um parâmetro fundamental para a engenharia e aplicação de materiais pois está associado com a descrição de várias outras propriedades mecânicas (tensão de escoamento, tensão de ruptura, etc). É uma propriedade intrínseca dos materiais, dependente da composição química, microestrutura e defeitos. Tem origem na energia de ligação entre os átomos do material e divide os materiais em aproximadamente duas grandes classes: os flexíveis e os rígidos; um ma- terial com um elevado valor do módulo de young é um material rígido. As borrachas e polímeros estão entre os materiais de menor módulo de elasticidade enquanto que os materiais cerâmicos, que estão no outro extremo, constituem os materiais mais rígidos

1.4 Módulo de Young 41 conhecidos.

Figura 12: Diagrama que mostra o valor do módulo de Young em função da densidade para diferentes classes de materiais [96].

Tabela 3: Módulo de Young para algumas estruturas conhecidas [96]. ESTRUTURA MÓDULO DE YOUNG (Gpa)

Diamante 1853

Cristal de adamantano 61 Carbeto de silício (SiC) 450

Tungstênio 406

Ferro 196

Aços de baixa liga 200 - 207 Ferros-fundidos 170 - 190

Cobre 124

Titânio 116

Vidro (SiO2) 94

Alumínio 69

Vidro ((Na2O - SiO2) 69

Nylon 2 - 4

Aço (Longitudinal) 210

Aço (Transversal) 80

forma e do tamanho do componente. Uma chapa sob compressão, por exemplo, se dobrará ao ser submetida a um carregamento de compressão. A mesma chapa, de outro material, de maior módulo de Young, se defletirá menos. Dobrada, já apresentará uma rigidez maior. Se transformada em um tubo, será capaz de suportar uma carga muito maior que aquela original, aplicada sobre a chapa, sem apresentar uma modificação apreciável na sua forma. Além disso, com o aumento da temperatura, o módulo de elasticidade diminui para praticamente todos os materiais, com exceção de alguns elastômeros.

Em veículos, especialmente no transporte aéreo, necessita-se rigidez associada ao menor peso possível. Embora seja comum o uso de aletas e de outros dispositivos mecâni- cos para que a rigidez do componente seja reforçada sem grande incremento no seu peso, é imprescindível dispor-se de materiais leves e de elevado módulo de Young.

Um diagrama que apresenta essas duas propriedades simultaneamente é mostrado na figura 12

Os valores dos módulos de elasticidade de diferentes classes de materiais podem ser encontrados em livros e sites que abordam o assunto, mas na tabela 3 podemos encontrar alguns valores conhecidos na literatura do Módulo de Young de alguns materiais.

1.5

Motivação

Uma nova revolução tecnológica está em marcha com impacto nos mais variados domínios. A saúde, a farmacologia, a computação, o modo de produção industrial, acusarão nos próximos anos avanços sem precedentes.

Átomo a átomo, molécula a molécula, a nanociência e a nanotecnologia começam a ser capazes de construir o que antes só era conseguido pela Natureza. São os denominados "nanomateriais"que têm características funcionais muito diferentes dos materiais comuns. As pesquisas neste domínio pretendem dar resposta ao fato das atuais tecnologias de montagem de circuitos com base em chips de silício estarem a atingir o seu limite tecnológico.

A atual tecnologia está próxima do seu limite de miniaturização. É necessária uma nova abordagem para o desenho dos futuros processadores e a resposta estará na con- strução de processadores moleculares, mais rápidos e muito mais pequenos, e para que

1.5 Motivação 43 estes sistemas possam ser produzidos a nível industrial, teremos que recorrer a nanotec- nologia.

O nascimento das nanoestruturas e nanodispositivos semicondutores é relativamente recente, tendo se desenvolvido com maior aceleração a partir do final dos anos 80. Os primeiros dispositivos semicondutores datam de 1947, quando W. Schockley, W. Brattain e J. Bardeen nos EUA tiveram sucesso em fabricar o primeiro transistor de estado sólido. Os transistores são as unidades fundamentais que compõem os microprocessadores, hoje presentes em todos equipamentos eletrônicos digitais, circuitos de memória de computa- dores, equipamentos de CD, TV, vídeo, etc. Àquela época, as dimensões dos transistores eram de alguns centímetros. Com a evolução tecnológica nos anos 50 e 60 já se fabri- cavam dispositivos semicondutores com dimensões de milímetros e de alguns microns. Os primeiros rádios portáteis tinham essa tecnologia. Foi a era de ouro para a corrida à miniaturização dos dispositivos semicondutores e que levou ao desenvolvimento de apar- elhos elétricos e eletrônicos cada vez mais compactos como telefones, aparelhos de som, TV e vídeo digitais.

A revolução da miniaturização continuou nas décadas de 70 e 80, quando iniciou- se a fabricação de dispositivos e circuitos integrados digitais contendo componentes com dimensões sub-micrométricas (menores que 1 milionésimo de metro).

Uma maior miniaturização de dispositivos e sensores e utilizados em pesquisa de ponta realizada em todo o mundo, requer a manipulação da matéria em nível atômico e molecular. A partir da segunda metade dos anos 80, começaram a surgir pesquisas para o desenvolvimento de dispositivos semicondutores na escala nanométrica.

Na área médica e biológica o impacto da Nanociência e Nanotecnologia para a so- ciedade nos permitirá uma maior segurança e sobrevida em cirurgias complexas, assim como o desenvolvimento de nanosensores para a prevenção e detecção de doenças, contam- inações virais e outros, com altíssima precisão e sem efeitos invasivos ao corpo humano. Com toda certeza os nanodispositivos e nanoestruturas semicondutoras serão parte inte- gral desses avanços que estão por vir.

Os nanomateriais baseados em carbono, como os carbon black, fulerenos, nanotubos, nanopartículas e nanofibras, são atualmente os mais atrativos devido a suas diferentes formas. Os nanotubos de carbono configuram os nanomateriais com a mais alta resistên- cia mecânica já observada, bem como alta capilaridade, possuindo estrutura eletrônica única. Desde o seu surgimento, em 1991, têm sido realizados estudos de viabilidade das condições de purificação e isolamento, caracterização e manipulação [111]. Sua rota de

dutores, sensores, armazenamento de hidrogênio, aditivos para materiais poliméricos e suporte em processos catalíticos [88, 107, 126].

Vários estudos apontam para a aplicação de nanotubos tanto na área ambiental quanto na biotecnologia, como exemplificado por Long et al., que usaram nanomateriais adsor- ventes para remoção de NOx sob baixa pressão. Li et al. observaram alta eficiência de adsorção na remoção de chumbo em meio aquoso [107,126]. Em função da sua estrutura, também estão sendo testados em aplicações medicinais como transportadores de fármacos, já sendo utilizados em telas planas, pneus, tecidos, entre outros [64].

Com tudo isso, nesta dissertação trataremos do estudo de novas estruturas de carbono baseadas em diamantóides, visando possíveis aplicações na indústria e/ou na área da saúde, tentando encontrar candidatos a substituição ou aprimoramento da utilização dos nanotubos de carbono, ou até mesmo o surgimento de uma nova linha de pesquisa.

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2

Metodologia dos cálculos.

Todas as estruturas estudadas nesta dissertação foram construídas "artesanalmente". Esta ideia surgiu analisando as várias formas de se combinar adamantanos para se con- struir diamantóides de ordem maior (Figura 13). Um exemplo de como essas nanoestru- turas se sobrepõem a estrutura cristalina do diamante, como ocorre com os diamantóides convencionais, é mostrado na figura 14. A metodologia dos cálculos utilizadas em todos os capítulos foi a mesma e será mostrada agora.

Figura 13: Forma usual de obter diamantóides de ordem maior a partir da "junção"de vários adamantanos.

Figura 14: Exemplo de um nanoplano (átomos pintados de azul) e um nanofio (átomos pintados de vermelho) sobreposto a estrutura cristalina do diamante.