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Type: Tese
Title: Síntese e aplicação do nanocompósito de PDMS-Au como um substrato SERS e propriedades mecânicas e vibracionais de cadeias lineares de carbono em função da temperatura e pressão
Authors: Costa, Nathalia Leal Marinho
Advisor: Paschoal, Alexandre Rocha
Keywords: Espectroscopia Raman;SERS;Nanocomposito de PDMS-Au;Cadeia linear de carbono
Issue Date: 2021
Citation: Costa, N. L. M. Síntese e aplicação do nanocompósito de PDMS-Au como um substrato SERS e propriedades mecânicas e vibracionais de cadeias lineares de carbono em função da temperatura e pressão. 144f. Tese (Doutorado em Física: Física da Matéria Condensada) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
Abstract in Brazilian Portuguese: O atual cenário tecnológico mundial impulsiona a nanociência e a nanotecnologia como as áreas mais promissoras do século XXI. Estudos que envolvem materiais com dimensões cada vez menores estão sujeitas à barreira imposta pelo limite de difração da luz e, portanto, são verdadeiros desafios através de técnicas convencionais, como a Espectroscopia Raman. Nessa tese, propomos um novo método para fabricar pequenos blocos altamente padronizados do polímero PDMS carregados com nanopartículas de ouro, PDMS-Au. A conveniência na preparação, estabilidade e utilização o torna um candidato promissor para a aplicação da espectroscopia intensificada por superfície SERS nas análises rápidas de laboratório. O ácido para-mercaptobenzóico (p-MBA) é utilizado como molécula de sondagem para investigar a atividade SERS do substrato. O substrato PDMS-Au exibiu alta reprodutibilidade do sinal Raman p-MBA (10-6 mol L-1) em pouca concentração de nanopartícula de Au disposta no PDMS. Em uma segunda parte da tese, investigamos as propriedades ópticas e estruturais das cadeias lineares de carbono (LCCs) que são um dos materiais mais simples, porém versáteis, apresentando caráter verdadeiramente unidimensional (1D) com propriedades eletrônicas, vibracionais e mecânicas interessantes. Investigamos as LCCs em duas diferentes abordagens; primeiro as LCCs inserido em nanotubo de múltiplas camadas (MWCNTs) e isolados sob a variação da pressão P, e segundo as LCCs encapsulado por nanotubos de parede múltipla e dupla são analisadas sob a variação da temperatura T. A frequência Raman da banda C em torno de 1850 cm-1, que é uma assinatura espectroscópica para as cadeias, decresce linearmente com o aumento da pressão até 4.6 GPa e aumenta quando a temperatura é gradualmente diminuída a partir da temperatura ambiente. As LCCs sob P, propomos um modelo simples de força constante anarmônica que não apenas descreve tal amolecimento, mas também mostra que o módulo de Young (E), o parâmetro de Grüneisen (γ) e a tensão (ε) seguem leis universais em P−1 e P2, respectivamente. Em particular, γ também apresenta um comportamento unificado para todas as LCCs. No estudo de LCCS sob a variação de T, negligenciando as interações fônon-fônon, mostramos que a dependência da temperatura da frequência da banda C do modo Raman óptico funciona como uma sonda para as propriedades térmicas das LCCs. Tal sonda nos permitiu demonstrar que as LCCs são descritas dentro do formalismo de Debye, levando a uma avaliação experimental de quantidades termodinâmicas relevantes, tais como energia interna, calor específico, coeficiente de expansão térmica, deformação térmica e parâmetro de Grüneisen.
Abstract: The current technological landscape drives nanoscience and nanotechnology as one of the most promising areas of the 21st century. Studies involving materials with increasingly smaller dimensional scales are subject to the barrier imposed by the light diffraction limit and, therefore, are real challenges through conventional techniques, such as Raman Spectroscopy. In this thesis, we propose a new method to manufacture small, highly standardized blocks of PDMS loaded in gold nanoparticles, PDMS-Au. The convenience of preparation, stability and use makes it a promising candidate for the application of SERS in rapid laboratory analysis. The Para-mercaptobenzoic acid (p-MBA) is used as a probing molecule to investigate the SERS. The substrate PDMS-Au exhibited high reproducibility of the Raman p-MBA signal (10-6 mol L-1) in a low concentration of Au nanoparticles in the PDMS. In a second part of the thesis, we investigate the optical and structural properties of linear carbon chains LCCs, which are one of the simplest yet versatile materials, presenting a truly unidimensional character (1D) with exclusive electronic, vibrational and mechanical properties. In this part, we investigate LCCs in two different approaches; first the LCCs inserted in multilayer nanotube MWCNTs isolated under the pressure variation P, and second the LCCs encapsulated by MWCNTs and double layer nanotube DWCNTs are analyzed under the temperature variation T. The Raman frequency of the C band around 1850 cm-1, which is a spectroscopic signature for the chains, decreases linearly with increasing pressure and increases when the temperature is gradually decreased from room temperature. The LCCs under P, we propose a simple model of constant-force anarmonic that not only describes such softening, but also shows that Young's modulus (E), Grüneisen's parameter (γ) and voltage (ε) follow universal laws in P- 1 and P2, respectively. In particular, γ also presents a unified behavior for all LCCs. In the study of LCCS under T, neglecting phonon-phonon interactions, we show that the temperature dependence of the C band frequency of the optical Raman mode works as a probe for the thermal properties of the LCCs. Such a probe allowed us to demonstrate that LCCs are described within the Debye formalism, leading to an unforeseen experimental evaluation of thermodynamic quantities, such as internal energy, specific heat, thermal expansion coefficient, thermal deformation and Grüneisen's parameter.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/56694
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