Química de Materiais e Nanoestruturas

1. INTRODUÇÃO

1.1. Química de Materiais e Nanoestruturas

A Química de Materiais pode ser definida como uma área da Química destinada à síntese (preparação), caracterização, compreensão de propriedades e estudo de aplicações de compostos que possuam determinada função [1]. O foco deste ramo do conhecimento se encontra na utilização da Química pra criar, compreender e desenvolver compostos ou sistemas que possam levar ao desenvolvimento de novas oportunidades tecnológicas ou avanços significativos em tecnologias já existentes.

No que concerne à síntese de materiais, existe uma ampla gama de possibilidades, quais sejam: busca pelo preparo de um novo material, desenvolvimento de novas rotas para materiais “tradicionais” com vantagens sobre as rotas de síntese tradicionalmente utilizadas, visando, por exemplo, baratear custos, diminuir o tempo gasto na síntese, aumentar a pureza e homogeneidade do material sintetizado, ampliar a segurança do processo e a escala de produção e tornar a síntese ambientalmente correta [1]. Assim, a ciência e nanotecnologia têm atraído notável atenção devido à perspectiva quanto aos possíveis impactos que os materiais nanoestruturados podem acarretar na melhoria da qualidade de vida e na preservação do meio ambiente.

Os nanomateriais, os quais possuem graus estruturais na ordem de 10-9 metros, têm atraído grande interesse devido à possibilidade de controlar suas propriedades pelo tamanho e morfologia, bem como, pelo seu arranjo no espaço [2].

A descoberta e o avanço na produção de nanoestruturas são de grande interesse em várias áreas de pesquisa, como catálise, microeletrônica, indústria de cosméticos, medicina e no desenvolvimento de novos fármacos [3]. Nessa escala de tamanho, os materiais apresentam novas propriedades e reatividades, antes não observadas quando em tamanho micro ou macroscópico; por exemplo, a tolerância à temperatura, a variedade de cores, as alterações da reatividade química e a condutividade elétrica [4]. Assim, a química, a física, a biofísica, a bioquímica, a ciência de materiais, a ciência da computação e a medicina envolvem-se neste campo [5], em virtude dessa interdisciplinaridade dos diversos campos da ciência, o progresso no desenvolvimento de nanoestruturas é de relevante importância, tendo em vista a possibilidade de obtenção de novos materiais com melhores propriedades e aplicáveis em vários dispositivos modernos [3]. Diversos óxidos metálicos têm recebido grande atenção devido ao seu uso como componente em dispositivos eletrônicos, óticos e eletroquímicos produzidos em nanoescala [6]. O grande interesse na síntese de óxido de zinco é a obtenção das nanoestruturas unidimensionais (1D) e tridimensionais (3D) em virtude das várias aplicações que possuem [7].

Atualmente, encontra-se na literatura [8], inúmeros métodos de síntese de ZnO nanoestruturado usando-se diferentes metodologias e técnicas de preparação com o objetivo de controlar as formas e o tamanho das partículas e, consequentemente, melhorar e otimizar suas propriedades. Para cada uma delas, observam-se vantagens e/ou desvantagens sobre parâmetros fundamentais para a viabilização do procedimento como, por exemplo, o custo do processo, o tempo de reação e a toxicidade dos precursores [8]. Em contrapartida, a elaboração de um novo método, o método hidrotérmico assistido por micro-ondas, no qual o processamento de materiais é baseado no aquecimento por radiação de micro-ondas, vem ganhando destaque e importância em varias aplicações, em virtude de uma série de vantagens potenciais frente aos métodos convencionais de aquecimento [9]. Vários óxidos metálicos, inclusive o óxido de zinco, têm sido obtidos pelo método hidrotérmico convencional e poucos são os trabalhos de obtenção e caracterização do ZnO por aquecimento por micro-ondas.

O presente trabalho tem por objetivo à utilização do método hidrotérmico assistido por micro-ondas para a obtenção de nanoestruturas do óxido de zinco com propriedades fotoluminescentes, somando a este as propriedades do íon terra-rara cério. Além disso, em se tratando de nanoestruturas, o interesse é ainda mais expressivo, já que materiais com dimensões nanométricas fornecem oportunidade de estudo e compreensão dos processos relacionados ao tamanho de partícula.

1.2. Óxido de Zinco (ZnO)

O ZnO é um semicondutor que tem atraído atenção devido às suas propriedades elétricas, ópticas e químicas, tais propriedades encontram aplicações em células solares [10], sensor de gás [11], além de ser aplicado em dispositivos optoeletrônicos [12].

As estruturas cristalinas do ZnO podem ser do tipo wurtzita, blenda de zinco e sal rocha. Dentre essas três estruturas cristalinas, apenas a estrutura do tipo wurtzita é termodinamicamente estável a temperatura ambiente, as demais estruturas são obtidas somente em condições de alta pressão de síntese [13].

A Figura 1 mostra a fase wurtzita (hexagonal) do óxido de zinco. A célula unitária da wurtzita possui dois parâmetros de rede externos: a = b = 3.250 Å e c= 5.207 Å que descreve as posições do cátion e do ânion em relação ao eixo z [14].

Figura 1. Célula unitária do ZnO .

Na sua forma hexagonal, cada ânion do cristal (oxigênio) é ligado a um cátion (zinco) nos vértices de um tetraedro[15].

O óxido de zinco, como um importante semicondutor, apresenta uma energia de gap direto de 3,37 eV e uma energia de ligação excitônica (transferência de um elétron da banda de valência para a banda de condução) de 60 meV [16] que é substancialmente maior quando comparado a outros semicondutores de gap elevado, assegurando assim uma emissão de luz mais eficiente em temperatura ambiente [17].

O ZnO, dentre os diversos óxidos metálicos, é um dos materiais mais importantes de uso industrial e tecnológico, pois é de grande interesse suas propriedades físico-químicas, tais como eletroluminescência [18], catodoluminescência [19], fotoluminescência [20] e propriedades magnéticas [21].

1.3. Metal Terra-Rara

Historicamente, os lantanídeos (conjunto de elementos químicos que fazem parte do período seis da tabela periódica) são chamados de terras raras porque se acreditava que estes elementos estavam distribuídos na natureza de maneira esporádica. Os metais terras-raras, a exemplo do cério, são caracterizados por abundantes níveis de energia e exibem luminescência