Num artigo recente publicado em Materiais Funcionais Avançadosos pesquisadores introduziram um novo método para alcançar o alinhamento uniforme de longo alcance de nanoestruturas usando campos magnéticos, com foco explicit no grafeno.
Crédito da imagem: Yurchanka Siarhei/Shutterstock.com
Esta abordagem visa melhorar as propriedades dos nanocompósitos poliméricos, tornando-os mais adequados para uma ampla gama de aplicações industriais. Os pesquisadores enfatizaram a necessidade de um método que seja eficaz e fácil de implementar, facilitando o uso prático de nanoestruturas alinhadas.
Fundo
Nanocompósitos incorporando nanoestruturas como o grafeno ganharam interesse significativo devido às suas notáveis propriedades elétricas, térmicas e mecânicas. No entanto, estas propriedades dependem fortemente da orientação das folhas de grafeno. O alinhamento adequado das nanoestruturas é essencial para aproveitar plenamente o potencial do grafeno em aplicações como eletrônica, armazenamento de energia e tecnologias biomédicas.
Os métodos atuais para alinhar nanoestruturas apresentam vários desafios. As técnicas de processamento baseadas em fluxo geralmente produzem alinhamento em apenas uma direção, o que é insuficiente para aplicações que necessitam de propriedades multidirecionais. Da mesma forma, o alinhamento do campo elétrico requer altas tensões, tornando-o impraticável para fabricação em larga escala. Embora os campos magnéticos estáticos possam alinhar efetivamente nanomateriais unidimensionais (1D), eles são menos eficazes para materiais bidimensionais (2D) como o grafeno, que têm mais liberdade de movimento e exigem um controle mais preciso.
O Estudo Atual
Para alcançar o alinhamento uniforme de longo alcance de nanoestruturas usando campos magnéticos, os pesquisadores projetaram e implementaram uma matriz Halbach. Esta matriz, conhecida por produzir um campo magnético forte e uniforme, foi construída usando ímãs permanentes dispostos em um padrão específico para aumentar a intensidade do campo na zona de alinhamento e minimizá-la fora da região.
A modelagem numérica foi empregada para otimizar o projeto do arranjo Halbach, com foco em parâmetros como dimensões do ímã, espaçamento e orientação. A distribuição do campo magnético foi simulada utilizando software program de análise de elementos finitos, permitindo a identificação da configuração que produziu maior uniformidade e intensidade de campo.
Para a preparação dos nanocompósitos, o óxido de grafeno reduzido (rGO) foi sintetizado a partir do óxido de grafeno (GO) através de um processo de redução química. Nanopartículas catiônicas de Fe₃O₄ foram sintetizadas e caracterizadas quanto ao seu tamanho e morfologia utilizando microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). O potencial zeta tanto do Fe₃O₄ catiônico quanto do GO carregado negativamente foi medido para confirmar a compatibilidade eletrostática para uma adsorção eficaz.
As nanopartículas de rGO e Fe₃O₄ foram misturadas em uma matriz polimérica (epóxi) na concentração fixa de 0,003% para a formulação do nanocompósito. Essa mistura foi submetida ao campo magnético gerado pelo arranjo Halbach para alinhar as nanoestruturas. O processo de alinhamento foi monitorado e otimizado em termos de tempo e intensidade de campo para garantir distribuição uniforme.
Um campo magnético de 1 Tesla foi aplicado para alcançar o alinhamento da nanoestrutura, e as estruturas resultantes foram caracterizadas usando várias técnicas, incluindo TEM, SEM, espectroscopia Raman, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS).
Resultados e Discussão
A aplicação do arranjo Halbach para alinhar nanoestruturas dentro da matriz polimérica melhorou significativamente as propriedades dos nanocompósitos. A intensidade do campo magnético na zona de alinhamento atingiu aproximadamente 1,5 T, orientando efetivamente o óxido de grafeno reduzido (rGO) e as nanopartículas de Fe₃O₄.
Medições de condutividade elétrica indicaram que os nanocompósitos alinhados exibiram condutividade até quatro vezes maior do que seus equivalentes orientados aleatoriamente, alcançando valores de 1,2 S/m a uma concentração de rGO de 0,1% em peso. Avaliações de condutividade térmica revelaram um aumento impressionante de mais de 1200%, com amostras alinhadas atingindo 5,5 W/m·Okay, atribuído aos caminhos térmicos efetivos formados pelas folhas rGO alinhadas.
Testes antibacterianos contra Escherichia coli e Staphylococcus aureus mostraram que os nanocompósitos alinhados alcançaram mais de 90% de redução na viabilidade bacteriana a uma concentração de carga de 10% em peso, superando significativamente as amostras não alinhadas, que alcançaram apenas uma redução de 50%.
Conclusão
Esta pesquisa apresenta um avanço significativo na nanotecnologia, demonstrando um método prático para alcançar o alinhamento uniforme de longo alcance de nanoestruturas usando campos magnéticos.
Os autores destacam o potencial desta abordagem no desenvolvimento de materiais multifuncionais de alto desempenho, que podem influenciar bastante diversas aplicações tecnológicas e industriais. Estudos futuros podem explorar o alinhamento de outros nanomateriais e otimizar ainda mais as configurações do array Halbach para maximizar a eficácia deste método.
No geral, o estudo acrescenta informações valiosas ao campo da pesquisa de nanocompósitos e ressalta seu potencial prático para aplicações no mundo actual.
Referência do diário
Ghai V., Pandit S., et al. (2024). Alcançar alinhamento uniforme arbitrário de longo alcance de nanoestruturas em campos magnéticos. Materiais Funcionais Avançados. DOI: 10.1002/adfm.202406875, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202406875