Nanoporos

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Tabela com a distribuição dos tamanhos de poros e alguns materiais como exemplo.
Exemplo de uma zeólita nanoporosa.

Os materiais nanoporosos são materiais que contém poros (vazios). Esses consistem em estruturas orgânicas ou inorgânicas regulares que suportam uma estrutura porosa regular. Geralmente o tamanho dos poros são inferiores a 100 nm, esses podem ser subdivididos em três categorias segundo a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC).

  • Macroporosos: consistem em materiais cuja porosidade é superior a 50 nm, em geral fica entre 50 nm e 100 nm mas podem chegar até 1μm.[1]
  • Mesoporosos: consistem em materiais cuja porosidade se encontra entre 2 nm e 50 nm.[2]
  • Microporosos: consistem em materiais cuja porosidade é inferior a 2 nm.[3]

As propriedades dos materiais nanoporosos não são regidas apenas pelo arranjo estrutural de átomos no cristal, mas em sua maioria pela porosidade que contém e pela área de superfície específica. Essa materiais possuem porosidades com poros de dimensões controláveis que podem ser ​​em escalas atômicas, moleculares ou nanométricas, que lhes permitem interagir de modo diferenciado, mais eficiente e efetivamente com seu ambiente.[4]

O esqueleto estrutural desses materiais é frequentemente chamada de "matriz" ou "estrutura". Esses poros posteriormente podem ser preenchidos com um fluido (líquido ou gás), moléculas, átomos estruturas nanométrica.[5]

Exemplo de materiais nanoporosos[editar | editar código-fonte]

Existem muitos materiais nanoporosos tanto naturais quanto sintéticos, alguns exemplos desses materiais naturais são minerais, zeólitas e carvão ativado, exemplos da forma sintética temos MOF (Metal–organic frameworks ou redes metalorgânicas), COF (Covalent organic frameworks ou redes orgânicas covalente), cerâmicas, aerogéis, materiais pilarizados, vários polímeros, poros inorgânicos e silicatos.[6]

Aplicação[editar | editar código-fonte]

Atualmente esses materiais são conhecidos por serem tecnologicamente úteis para um amplo espectro de aplicações como: armazenamento e conversão de energia em células de combustível, células solares e baterias de íons de lítio, hidrogênio armazenamento, supercapacitores, catálise, purificação de gás; separação, transporte de fármacos, biologia celular, remediação ambiental (descontaminação), dessalinização, purificação e separação de água, sensores, dispositivos ópticos entre outros.[6][7][8]

A aplicabilidade dos nanomateriais porosos depende muito do seu design, esse pode ser direcionado no nível atômico e molecular, esse direcionamento do design que controla a sua porosidade e consequentemente a área superficial. Os materiais nanoporosos podem ser sintetizados usando templates (modelos) orgânicos ou inorgânicos. A automontagem de templates orgânicos ou o tamanho de poro existente nos modelos inorgânicos são os fatores que controlam a porosidade do produto final. Além do mais, os poros do tamanho de nanômetros podem ser utilizados para impregnar nanopartículas / proteínas / para criar híbridos multifuncionais de interesses práticos e científicos.[7][8][9][10]

Nanoporos, pequenos canais de proteína incorporados em uma membrana, são uma ferramenta popular para sequenciamento de DNA. Anteriormente, os cientistas pensavam que as diferenças de aminoácidos eram pequenas demais para serem registradas com a tecnologia de nanoporos. Os nanoporos podem ser usados para identificar todos os 20 aminoácidos nas proteínas, o que é importante para o sequenciamento de proteínas.[11]

Caracterização[editar | editar código-fonte]

Por essa enorme gama de materiais há uma grande necessidade da sua caracterização e de suas propriedades estruturais e morfológicas. para essa caracterização podem ser utilizadas diferentes técnicas como: difração de raios X (DRX), cristalografia eletrônica, microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FESEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM).O estado de oxidação, a coordenação e as propriedades ópticas podem ser estudadas usando espectroscopia de absorção de raios X, espectroscopia UV-Vis, ressonância magnética nuclear (RMN) de estado sólido.[4]

Para análises elementares de materiais nanoporosos, análises dispersivas de energia de X- raios (EDAX), espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplada (ICP-MS), espectroscopia eletrônica de Auger (AES) e espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) são geralmente adotados, e a área de superfície e o tamanho dos poros são avaliados por isoterma de adsorção-dessorção de N2.[4]

Propriedades e sínteses de materiais nanoporosos[editar | editar código-fonte]

A estrutura, a morfologia, o tamanho dos poros (porosidade), área superficial específica, solubilidade, densidade, pH, hidrofilicilidade / hidrofobicidade, distribuição de carga, condutividade e atividade catalítica de materiais nanoporosos são propriedades que esse materiais podem apresentar. Todas essa propriedade podem ser moduladas e desenhada a parti do design de síntese ou técnicas de sínteses algumas dessa técnicas de sínteses são: a precipitação, sol-gel, hidrotermal e solvotérmica.[4][6]

Precipitação[editar | editar código-fonte]

A síntese de precipitação de materiais nanoporosos envolve a criação de um sólido a partir da solução. A síntese ocorre em uma solução líquida e o sólido formado é denominado de "precipitado", enquanto o precursor que causa a formação de sólidos é chamado de "precipitante". A principal importância nessa síntese que não pode ter força de sedimentação suficiente para unir as partículas sólidas, o precipitado permanece suspensa na solução.[4]

Sol-gel[editar | editar código-fonte]

O processo sol-gel diferentemente da precipitação ocorre por via coloidal que é efetivamente usada sintetizar materiais nanoporosos com um estágio intermediário conhecido como sol e/ou um estado de gel. Nesta técnica, uma solução coloidal conhecida como "sol" é formada e normalmente avança para um sistema difásico chamado gel, apresentando uma fase líquida e fase sólida pode variar de partículas discretas a contínuas redes poliméricas.[12]

Hidrotérmica[editar | editar código-fonte]

A síntese hidrotérmica é uma abordagem de reação baseada em solução realizada em autoclave ou microondas sintetizar os materiais nanoporosos. Em um sentido mais amplo, esse método envolve levar uma síntese da temperatura ambiente para uma alta temperatura na qual o a morfologia dos materiais nanoporosos sintetizados pode ser controlada. O processo hidrotérmico a temperaturas elevadas fornece estabilidade para o material sintetizado.[13]

Solvotérmica[editar | editar código-fonte]

Outra variante da síntese baseada em solução é a solvotérmica rota muito semelhante à hidrotérmica, com a única diferença de que a solução precursora é geralmente não aquosa. A rota solvotérmica permite um controle preciso sobre o tamanho, forma e cristalinidade dos materiais nanoporosos. Essas características pode ser alterado alterando certos parâmetros experimentais que incluem temperatura, tempo, tipo e concentração de solvente e surfactante.[13]

Outros métodos[editar | editar código-fonte]

Outro método simples e rápido de preparação de materiais altamente porosos, é a via de autocombustão em que alguns precursores atuam como comburente, enquanto outros como combustível. Em um experimento típico, uma solução aquosa homogênea solução contendo a mistura de reação necessária de comburente e combustível é mantida sob agitação constante em uma placa quente ao ar até secar. Posteriormente, o combustível inicia a reação de combustão em temperatura específica que resulta em porosidade e material nanocristalino esponjoso em forma de pó. O tamanho de partícula e poro pode ser controlado otimizando a concentração de combustível na mistura de reação. A reação aqui é exotérmica, e o calor evoluído no processo de combustão é suficiente para a formação adequada da fase do material sintetizado.[14]

Um outro método é a pirólise por spray uma técnica simples e eficaz para sintetizar filmes finos com morfologia porosa. Nesta técnica, soluções aquosas ou alcoólicas de precursores inorgânicos são pulverizadas sobre um substrato quente que depois se decompõe piroliticamente em um composto desejado na forma de filme fino, com excelente adesão. A espessura e a morfologia dos filmes porosos podem ser variadas através da manobra de vários parâmetros do processo, como molaridade da solução, temperatura do substrato, vazão do gás transportador, distância do bico de pulverização ao substrato.[15]

Avanços recentes e perspectivas[editar | editar código-fonte]

materiais nanoporosos tem a propriedade de deixar apenas certas substâncias passarem enquanto bloqueiam outras. Essa propriedade entre outras fez com que na última década ocorre-se um crescente interesse e esforço de pesquisa na síntese, caracterização, funcionalização, modelagem molecular e design de materiais nanoporosos. Os principais desafios da pesquisa incluem os aspectos fundamentais entendimento das relações estrutura-propriedade e projeto sob medida de nanoestruturas para propriedades e aplicações específicas. Os esforços de pesquisa nesse campo foram impulsionados pela gama de aplicações em emergentes áreas e o rápido crescimento, como biossensor, transporte de fármacos, separação de gases, armazenamento de energia e tecnologia de células de combustível, bioanálises, como no diagnóstico biomédico e no monitoramento de alimentos, como descontaminantes e qualidade ambiental, agentes antibacterianos na liberação de medicamentos, miméticos enzimáticos, biossensores, coadjuvante na terapia anticâncer, nanocatálise e fotônica. Estes aplicações oferecem novas oportunidades interessantes para os cientistas desenvolverem novas estratégias e técnicas para a síntese e aplicações desses materiais[16][17][18].

Outra tecnologia são os filmes finos porosos estão atraindo enorme atenção devido à sua aplicabilidade em sensores de gás, dispositivos de conversão de produtos químicos e de energia, catálise e assim por diante. Nanomateriais com poros uniformes são outro material que vem atraindo os cientistas devido a uma alta relação superfície-volume produzindo grande quantidades de locais catalíticos para uma catálise eficiente devido a interação catalisador-alvo para catalisadores homogêneos imobilizados, enzimas, óticas não lineares, mediador constante dielétrico baixo.[18] Materiais nanoporosos vem mostrando uma excelente aplicabilidade em várias áreas, essa aplicabilidade dos materiais mostra várias oportunidades criativas e exóticas para pesquisadores e cientistas de desenvolver novas metodologias, estratégias e técnicas para sintetizar, utilizar, criar propriedade e aplicações para os materiais nanoporosos.

Referências

  1. «IUPAC - macroporous polymer (MT07177)». goldbook.iupac.org. Consultado em 16 de dezembro de 2019 
  2. «IUPAC - mesopore (M03853)». goldbook.iupac.org. Consultado em 16 de dezembro de 2019 
  3. «IUPAC - microporous carbon (M03909)». goldbook.iupac.org. Consultado em 16 de dezembro de 2019 
  4. a b c d e Ameen, Sadia; Akhtar, Mohammad Shaheer; Godbole, Rhushikesh; Shin, Hyung-Shik (8 de março de 2019). «An Introduction to Nanoporous Materials». Nanofluid Flow in Porous Media (em inglês). doi:10.5772/intechopen.84773 
  5. Holister, Paul (Outubro de 2003). «Nanoporous Materials» (PDF). Cientifica. Consultado em consultado em 17 de Dezembro 2019  Verifique data em: |acessodata= (ajuda)
  6. a b c «Nanotechnology in Textiles». 2019. doi:10.1016/c2017-0-02936-1 
  7. a b Surwade, Sumedh P.; Smirnov, Sergei N.; Vlassiouk, Ivan V.; Unocic, Raymond R.; Veith, Gabriel M.; Dai, Sheng; Mahurin, Shannon M. (maio de 2015). «Water desalination using nanoporous single-layer graphene». Nature Nanotechnology (em inglês). 10 (5): 459–464. ISSN 1748-3395. doi:10.1038/nnano.2015.37 
  8. a b Borenstein, Arie; Hanna, Ortal; Attias, Ran; Luski, Shalom; Brousse, Thierry; Aurbach, Doron (2017). «Carbon-based composite materials for supercapacitor electrodes: a review». Journal of Materials Chemistry A. 5 (25): 12653–12672. ISSN 2050-7488. doi:10.1039/c7ta00863e 
  9. Innocenzi, Plinio; Malfatti, Luca (2013). «Mesoporous thin films: properties and applications». Chemical Society Reviews. 42 (9). 4198 páginas. ISSN 0306-0012. doi:10.1039/c3cs35377j 
  10. Huang, Wei; Cao, Yang; Chen, Yong; Peng, Juan; Lai, Xiaoyong; Tu, Jinchun (fevereiro de 2017). «Fast synthesis of porous NiCo2O4 hollow nanospheres for a high-sensitivity non-enzymatic glucose sensor». Applied Surface Science. 396: 804–811. ISSN 0169-4332. doi:10.1016/j.apsusc.2016.11.034 
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  12. Cychosz, Katie A.; Thommes, Matthias (agosto de 2018). «Progress in the Physisorption Characterization of Nanoporous Gas Storage Materials». Engineering. 4 (4): 559–566. ISSN 2095-8099. doi:10.1016/j.eng.2018.06.001 
  13. a b Nyamukamba, Pardon; Okoh, Omobola; Mungondori, Henry; Taziwa, Raymond; Zinya, Simcelile (27 de junho de 2018). «Synthetic Methods for Titanium Dioxide Nanoparticles: A Review». InTech. ISBN 978-1-78923-326-1 
  14. Godbole, R.V.; Rao, Pratibha; Alegaonkar, P.S.; Bhagwat, Sunita (julho de 2015). «Influence of fuel to oxidizer ratio on LPG sensing performance of MgFe2O4 nanoparticles». Materials Chemistry and Physics. 161: 135–141. ISSN 0254-0584. doi:10.1016/j.matchemphys.2015.05.028 
  15. Godbole, Rhushikesh; Godbole, V. P.; Alegaonkar, P. S.; Bhagwat, Sunita (2017). «Effect of film thickness on gas sensing properties of sprayed WO3 thin films». New Journal of Chemistry. 41 (20): 11807–11816. ISSN 1144-0546. doi:10.1039/c7nj00963a 
  16. Qiu, Ling; Zhang, Xuehua; Yang, Wenrong; Wang, Yufei; Simon, George P.; Li, Dan (2011). «Controllable corrugation of chemically converted graphene sheets in water and potential application for nanofiltration». Chemical Communications. 47 (20). 5810 páginas. ISSN 1359-7345. doi:10.1039/c1cc10720h 
  17. Surwade, Sumedh P.; Smirnov, Sergei N.; Vlassiouk, Ivan V.; Unocic, Raymond R.; Veith, Gabriel M.; Dai, Sheng; Mahurin, Shannon M. (23 de março de 2015). «Water desalination using nanoporous single-layer graphene». Nature Nanotechnology. 10 (5): 459–464. ISSN 1748-3387. doi:10.1038/nnano.2015.37 
  18. a b Tiwari, Ashutosh; Iyer, Parameswar K.; Kumar, Vijay; Swart, Hendrik, eds. (30 de novembro de 2016). «Advanced Magnetic and Optical Materials». doi:10.1002/9781119241966