Química de Nanomateriais
A química de nanomateriais estuda a síntese, a estrutura e as propriedades dependentes do tamanho de materiais com pelo menos uma dimensão na faixa nanométrica, onde o confinamento quântico e uma relação superfície-volume muito alta conferem um comportamento distinto do material a granel.
Definition
A química de nanomateriais é o estudo de como o tamanho, a forma e a química da superfície de materiais em nanoescala são controlados pela síntese e como eles dão origem a propriedades — ópticas, eletrônicas e catalíticas — que diferem daquelas do sólido a granel correspondente.
Scope
Esta área abrange os princípios químicos da matéria na nanoescala: pontos quânticos e nanocristais zero-dimensionais cujas propriedades ópticas dependem do tamanho; folhas bidimensionais como grafeno e dicalcogenetos de metais de transição; a síntese em fase coloidal e em solução de nanopartículas e sua montagem em superestruturas ordenadas; e as rotas de química suave, sol-gel e de molde usadas para construir sólidos nanoestruturados. Ao longo do texto, ela relaciona tamanho e forma à função eletrônica, óptica e catalítica.
Sub-topics
Core questions
- Por que as propriedades dos materiais mudam quando um sólido é reduzido a dimensões nanométricas?
- Como nanocristais, nanofolhas e nanopartículas são sintetizados com tamanho e forma controlados?
- Como o domínio dos átomos de superfície altera a química na nanoescala?
- Como os blocos de construção em nanoescala podem ser montados em arquiteturas funcionais?
Key concepts
- Confinamento quântico
- Relação superfície-volume
- Síntese de nanocristais coloidais
- Controle de forma e faceta
- Auto-montagem de nanoestruturas
- Ligantes de superfície e agentes de capeamento
Key theories
- Confinamento quântico em nanocristais
- Quando um cristal semicondutor se torna comparável em tamanho ao éxciton, os níveis eletrônicos tornam-se discretos e a banda proibida efetiva se alarga à medida que o tamanho diminui, de modo que a absorção e emissão óptica podem ser ajustadas simplesmente alterando o tamanho da partícula.
- Controle de forma e superfície de nanocristais
- As propriedades dos nanocristais dependem não apenas do tamanho, mas da forma e das facetas cristalinas expostas, que são controladas cineticamente durante a síntese coloidal através de surfactantes e condições de crescimento, e que governam o comportamento catalítico e plasmônico.
Clinical relevance
A química de nanomateriais sustenta uma ampla gama de tecnologias: pontos quânticos com tamanho ajustável são usados em displays e bioimagens, nanopartículas de alta área superficial servem como catalisadores e eletrodos, e materiais bidimensionais são explorados para eletrônica, sensores e membranas.
History
O reconhecimento nas décadas de 1980 e 1990 de que os nanocristais semicondutores exibem propriedades ópticas dependentes do tamanho, codificado na revisão de Alivisatos de 1996, estabeleceu o confinamento quântico como um fenômeno quimicamente controlável. Avanços na síntese coloidal permitiram então o controle preciso do tamanho e da forma, e o isolamento do grafeno em 2004 abriu a química dos materiais bidimensionais, ampliando o campo para a disciplina da nanoquímica.
Key figures
- A. Paul Alivisatos
- Mostafa El-Sayed
- Geoffrey Ozin
Related topics
Seminal works
- alivisatos1996
- elsayed2005
- ozin2009
Frequently asked questions
- Por que uma nanopartícula se comporta de forma diferente do mesmo material a granel?
- Dois efeitos dominam na nanoescala: uma grande fração dos átomos está na superfície, alterando a reatividade e a energética, e para semicondutores pequenos o suficiente, os elétrons são confinados quanticamente, o que discretiza os níveis de energia e altera as propriedades ópticas e eletrônicas em relação ao material a granel.
- Como a cor dos pontos quânticos pode ser ajustada?
- Devido ao confinamento quântico, a banda proibida efetiva de um nanocristal semicondutor aumenta à medida que seu tamanho diminui. A produção de pontos menores desloca a absorção e a emissão para energias mais altas (mais azul), de modo que a cor pode ser selecionada simplesmente controlando o tamanho da partícula durante a síntese.