Espectroscopia de absorção na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR): Equipamento FTIR Nicolet, modelo 6700, Thermo Electron Corporation.

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A espectroscopia de absorção na região do infravermelho é uma poderosa ferramenta para obter informações de propriedades estruturais de moléculas. Esta técnica se baseia no fato de que as ligações químicas de grupos presentes em um determinado composto apresentam frequências de vibração específicas. A incidência de uma radiação eletromagnética com a energia de uma dessas vibrações leva à absorção de parte da mesma, a qual poderá gerar uma variação na energia transmitida permitindo a identificação da presença deste grupo na molécula do composto. Essa variação se torna mais intensa quanto maior for a variação no momento dipolar da ligação com a vibração, sendo alguns grupos não detectáveis por esta técnica.

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A análise de amostras por esse tipo de microscopia apresenta algumas vantagens, como a utilização de pequena quantidade de amostra, rapidez na obtenção dos espectros e a possibilidade de ser acoplada a outras técnicas, como a análise termogravimétrica.

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O LQN possui infraestrutura para a análise de amostras sólidas e líquidas pelos métodos de pastilha de haletos alcalinos, dispersão em óleos, uso de janelas, ATR e microanálises com o auxílio de um microscópio óptico. As análises qualitativas de amostras sólidas pelos métodos de pastilha de haletos alcalinos e de dispersão em óleos encontram-se atualmente em processo de acreditação junto ao INMETRO.

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Análise Termogravimétrica (TG): Equipamento Q5000 e SDT 2960 – TA Instruments.

 

A análise termogravimétrica é uma técnica instrumental que mede a variação de massa da amostra em relação a temperatura e/ou tempo enquanto é submetido a uma programação controlada de temperatura. Esta técnica possibilita conhecer a faixa de temperatura em que a amostra adquire uma composição química fixa, a temperatura em que se decompõe e o andamento das reações como desidratação, oxidação, combustão e decomposição. As termobalanças são instrumentos que permitem a verificação contínua da massa de uma amostra em função da temperatura, ou seja, a medida em que ela é aquecida ou resfriada.

As curvas de variação de massa em função da temperatura, permitem obter informações sobre a estabilidade térmica da amostra, a composição e estabilidade dos produtos intermediários e ainda sobre as substâncias presentes no resíduo.

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A análise termogravimétrica é bastante usada para caracterização de materiais nanoestruturados, como filmes finos, micelas, cerâmicos porosos e principalmente em nanopartículas e materiais de carbono como fulereno, grafeno e nanotubos de carbono. Em atmosfera inerte podem ser obtidas informações que contribuem para identificação de defeitos estruturais, ligantes e grau de funcionalização, enquanto em atmosfera oxidante pode-se avaliar pureza, reatividade à atmosfera ambiente, massa residual de catalisadores e, em um exemplo mais específico, a dispersão de diâmetro e número de paredes em nanotubos de parede múltipla (multiwall). Como pode-se observar nesse último exemplo, também é possível obter informações específicas para cada material indiretamente através de sua estabilidade térmica.

O LQN realiza análises termogravimétricas em atmosferas oxidante e inerte, com procedimentos que atingem temperaturas de até 1100°C. A técnica TG encontra-se atualmente em processo de acreditação junto ao INMETRO.

 

 

TITULAÇÃO POTENCIOMÉTRICA – Titulador automático Titrando 808, com unidade intercambiável 806, da Metrohm.

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A titulação potenciométrica permite avaliar a distribuição dos grupos funcionais na superfície das nanoestruturas de carbono, avaliando a eficácia do processo de funcionalização. O potencial do eletrodo indicador (ou referência) é medido em função do volume de titulante adicionado. O ponto de equivalência da reação é reconhecido pela mudança súbita do potencial observado na curva de titulação, em força eletromotriz ou pH contra o volume de solução titulante.

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Algumas vantagens da titulação potenciométrica em relação aos métodos de titulação com uso de indicadores é que podem ser tituladas soluções muito diluídas, não é limitada pela cor ou turbidez de soluções que mascaram o ponto final e permite aproveitas certas reações para as quais a técnica convencional é impraticável em virtude da falta de indicadores apropriados. Além de usar pouca quantidade de amostra (cerca de 10 mg) e permitir a recuperação da amostra após a análise (lavagem com água e filtração).

 

POTENCIAL ZETA/TAMANHO DE PARTÍCULA: Zetasizer Nano ZS ZEN3600 com laser He-Ne e MPT-2 Multi Purpose Titration, ambos da Malvern.

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O potencial Zeta é o potencial elétrico no plano hidrodinâmico de cisalhamento. A interação das partículas se dá pela magnitude do Potencial Zeta e não por sua carga de superfície, dessa forma o cálculo do Potencial Zeta, de forma rápida e fácil, é necessário para medir a carga associada à partícula. Na determinação de resultados de Potencial Zeta quando o valor obtido é alto indica que as partículas se repeliram, ou seja, há uma maior estabilidade da dispersão. Já em casos de resultados com valores baixos representam instabilidade na dispersão, visto que as partículas se aproximaram umas das outras até se agregarem. A determinação do Potencial Zeta é indicada para a otimização de formulações de suspensões ou emulsões, previsão da estabilidade das formulações e diminuição do tempo necessário para triagem de formulações.

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O potencial Zeta é determinado através da aplicação de um campo elétrico a uma solução de moléculas ou dispersão de partículas, que passarão a se mover com uma velocidade relacionada ao seu potencial zeta. Assim, é possível fazer o cálculo da mobilidade eletroforética e, a partir desta, o potencial zeta e a distribuição do potencial zeta.

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O espalhamento de luz dinâmico (DLS) é usado para medir o tamanho de partículas e moléculas. Essa técnica mede a difusão de partículas que se movem sob movimento browniano e converte essa medida em tamanho e em distribuição de tamanhos utilizando a relação de Stokes-Einstein.

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O potencial Zeta depende não somente da superfície da partícula, mas do dispersante e pode ser afetado pelo pH ou força iônica do meio. Sendo assim, torna-se interessante o autotitulador MPT-2 que possibilita o estudo do efeito das alterações no pH, na condutividade ou em qualquer outro aditivo de modo automático.

 

 

ESPECTROSCOPIA RAMAN: Espectrofotômetro Raman Modular HORIBA JOBIN YVON iHR550.acoplado a um microscópio confocal Olympus BX-41 e detector CCD

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A espectroscopia Raman é uma técnica amplamente utilizada para identificação de uma molécula desconhecida, caracterização de materiais e identificação dos tipos de ligações. Quanto aos materiais carbonosos, possibilita a caracterização desses materiais e a obtenção de informações sobre o grau de desordem da rede cristalina. Aplicação da espectroscopia Raman abrange várias áreas como: mineralogia, ciência forense, farmacêutica, polímeros, filmes finos, semicondutores, e análise estrutural de formas alotrópicas de carbono (grafite, grafeno, diamante, fulerenos e nanotubos) entre outras.

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A técnica é baseada na detecção de luz espalhada inelasticamente (proveniente da interação de uma radiação monocromática com a matéria) e está relacionada com transições vibracionais e rotacionais de moléculas.  Os espectros Raman são obtidos quando uma amostra é irradiada por um laser monocromático com comprimento de onda na faixa visível ou no infravermelho próximo. O espectro de radiação espalhada possui energia menor que a radiação incidente (espalhamento Stokes) e a diferença de energia entre elas está relacionada à diferença de energia entre dois níveis vibracionais da molécula. Para que um modo vibracional da molécula seja ativa na espectroscopia Raman é necessário que haja uma variação da polarizabilidade da molécula com a sua vibração. 

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A utilização da espectroscopia Raman apresenta como maiores vantagens:

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• a não destruição da amostra;

• necessidade de uma pequena quantidade da amostra, com alguma ou quase nenhuma preparação prévia;

• análise em variados estados físicos como, líquidos, soluções, pastas, pós, filmes, fibras, gases;

• pode ser utilizado para analisar soluções aquosas uma vez que não sofrem com o grande efeitos de absorção de água como observado nas técnicas FT-IR.

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ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO NA REGIÃO DO ULTRA VIOLETA-VISÍVEL (UV-VIS): UV 3600 UV-VIS-NIR spectrophotometer Shimadzu

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 Um dos métodos mais utilizados em analítica é a espectrofotometria na região visível e ultravioleta (UV-Vis). Está técnica é aplicada na caracterização de compostos orgânicos e inorgânicos, como também na quantificação de compostos com grupos absorventes. A absorção de energia depende do número e da estrutura eletrônica das moléculas, e isso possibilita a ampla aplicação do método.

A técnica baseia na leitura da amostra a partir de comprimento de onda na região do ultravioleta, considerada na faixa de 200 a 400 nm, e a região do visível entre 400 a 800 nm. A magnitude das energias correspondentes a essas regiões correspondem, muitas vezes, à diferença entre estados eletrônicos de muitas moléculas. Quando a radiação passa por um material transparente, certa quantidade dessa radiação é absorvida pelo material, onde a quantidade de luz absorvida é a diferença da intensidade da radiação incidente e a transmitida. A transmitância é definida como:

 

T = I/Io

 

e a absorbância é definida como:

 

A = log 1/T = - log T

 

Através da lei de Lamber-Beer é obtida uma expressão mais coerente para a intensidade de luz. Esta lei estabelece que a absorbância é diretamente proporcional com caminho que a luz percorre (b), à concentração (c) e à absorvidade (ε)

 

A = εcb= log (Io/I)

 

Desta maneira, espectrofotômetros registram dados de absorbância ou transmitância em função do comprimento de onda. O espectro de absorção é característico para cada espécie química, sendo possível a identificação de uma espécie química através do seu “espectro de absorção”.

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As principais vantagens apresentadas pelo método são:

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• baixo consumo de amostras;

• rapidez das análises;

• alta confiabilidade nos resultados.

 

MANIPULAÇÃO QUÍMICA DE NANOMATERIAIS

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Além das técnicas de caracterização, o LQN possui uma infraestrutura que permite a manipulação química de nanomateriais de carbono, como a purificação e funcionalização das nanoestruturas, através de variadas técnicas.

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A etapa de purificação das nanoestruturas de carbono é de suma importância para a qualidade do composto, pois nesta etapa são eliminados resíduos do suporte (normalmente com ácido a quente), partículas metálicas (digestão ácida) e carbono amorfo, preparando as nanoestruturas para a etapa de funcionalização.

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Na etapa de funcionalização, são incorporados grupos funcionais (normalmente grupos oxigenados) que facilitam a dispersão das nanoestruturas em água, além de possibilitar a ancoragem de moléculas para aplicação biológica. A funcionalização pode ser realizada através de interações não-covalentes (sistemas que interagem fracamente com as nanoestruturas) e covalentes (que interagem fortemente com as nanoestruturas de carbono, levando a grandes modificações nas suas propriedades).

Os equipamentos disponibilizados pela infraestrutura do LQN para os processos de manipulação química são:

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1. ultrassom de banho

2. ultrassom de ponta

3. centrífugas

4. moinho

5. reator

6. dispersores

7. pHmetros

8. spin coater

9. dip coater

10. vortex

11. viscosímetro12

12. mufla