Análise estrutural e síntese de nanotubos de dióxido de titânio.

Abstract

No presente trabalho foram estudados teoricamente nanotubos de dióxido de titânio, através de modelagem molecular computacional. Foram também obtidos experimentalmente nanoestruturas de dióxido de titânio, sintetizadas por método hidrotérmico em meio alcalino. As análises das amostras sintetizadas, através de microscopia eletrônica de varredura por efeito de campo (FEG-SEM), revelaram a formação de um emaranhado de estruturas cilíndricas, com diâmetros variando entre 12 e 40 nanômetros (nm) aproximadamente e comprimentos a partir de 200 nm chegando a ordem de micrômetros (μm). O padrão encontrado nos difratogramas de raios X (DRX) está em concordância à análises encontradas na literatura, realizadas em amostras de nanotubos de dióxido de titânio obtidos por síntese similar. As análises de espectroscopia ultra-violeta visível (UV-Vis) por reflectância revelaram um band gap de 3,1 eV. A análise estrutural teórica dos nanotubos de dióxido de titânio baseou-se em observações experimentais. Utilizando-se como precursor o plano cristalino (101) da fase anatase do dióxido de titânio, construíram-se modelos de nanotubos através do enrolamento desse plano. Em contraste com propostas anteriores que utilizaram apenas um plano (101) compondo a camada do tubo, nanotubos de dióxido de titânio foram modelados utilizando-se entre 1 e 4 planos (101) por camada. Os modelos construídos tiveram sua geometria otimizada por mecânica molecular e análise de estrutura eletrônica pelo método semi-empírico PM3. A partir da célula unitária do plano (101) da fase anatase foi proposto um sistema de coordenadas capaz de identificar todos os tipos de nanotubos de dióxido de titânio formados por esse plano, caracterizado pela presença de um par de índices inteiros (n,m). A análise da variação do diâmetro interno dos nanotubos em função do número de planos por camada, revelou uma diminuição do mesmo à medida em que se aumenta o número de planos na camada. Essa diminuição foi atribuída a maior compressão exercida pelos planos mais externos. Os resultados dos cálculos de energia revelaram uma variação exponencial inversa com o diâmetro tanto para a energia total quanto para a energia de strain, tendendo, para diâmetros grandes, a valores próximos a energia do bulk e a zero, respectivamente. O gap calculado aumentou com o diâmetro em todos os casos chegando a um valor médio final de 3,04 eV. A análise dos espectros de absorção no infra-vermelho (IR), confirmou o resultado encontrado para a energia de strain, e revelou a existência de um padrão específico para os espectros IR à medida que mais planos são adicionados a camada que forma o nanotubo. Na comparação com um espectro IR experimental os principais picos puderam ser associados, dando suporte a estrutura proposta.