Estudo de estruturas auto-organizadas baseadas em pontos quânticos de carbono

Abstract

Estruturas auto-organizadas (SA, do inglês, Self-Assembled), são estruturas formadas a partir de processos de auto-organização, em que partículas, moléculas, polímeros, nanopartículas, entre outros componentes se organizam, por meio de interações específicas, em estruturas maiores e bem organizadas. Quando auto-organizadas, nanopartículas com funcionalidades específicas podem apresentar características melhoradas ou ainda novas funcionalidades em comparação aos sistemas desorganizados. Um dos métodos mais fáceis e econômicos de auto-organizar nanopartículas em um substrato sólido se dá a partir da auto-organização induzida por evaporação. Neste processo, nanopartículas coloidais agregam-se sobre um substrato sólido na transição de fase líquido-vapor, quando a espessura do solvente se torna comparável ao diâmetro das partículas, sendo que as características das estruturas resultantes dependem de um conjunto de mecanismos, como processos convectivos, auto-difusão das partículas, dinâmica de evaporação e interações interparticulares. Dentre as diversas nanopartículas que são capazes de formar SAs, pode-se destacar os pontos quânticos de carbono (Cdots). Os Cdots são nanopartículas semicondutoras fotoluminescentes do tipo casca-núcleo e que apresentam excelentes propriedades óticas, como: foto-estabilidade, energia de emissão dependente do tamanho e intensidade da fotoluminescência sensível à agregação de partículas. Desta maneira, a organização de Cdots individuais em estruturas ordenadas sobre substratos sólidos possui potencial para possíveis nanodispositivos na área de biosensores, catálises, optoeletrônica e armazenamento de dados. Este trabalho se dedicou a investigar a formação de estruturas auto-organizadas de Cdots luminescentes sobre substratos de silício. Os Cdots foram sintetizados pela esfoliação eletroquímica de um eletrodo de grafite e as estruturas SA foram obtidas pelo método de evaporação induzida, sob temperatura controlada. Foram investigados efeitos de temperatura, de volume e concentração de solução de Cdots, no substrato, na formação das SA. Imagens de microscopias ótica e de fluorescência mostraram a formação de estruturas SA de até 1 mm e na maior parte das vezes, com emissão luminescente e em diversos padrões como: como agregação por difusão limitada, fractal do tipo rio, fractal do tipo folha de samambaia, filmes e padrões bifurcados. A variação dos parâmetros provocou significativas mudanças nas características das estruturas SA, como: aumento da intensidade da emissão fotoluminescente (PL) ou sua aniquilação e mudança nos padrões de auto-organização. Acredita-se que os resultados obtidos neste trabalho possam fornecer um panorama preliminar dos diversos padrões de estruturas SA que se obter tendo como blocos de construção Cdots fotoluminescentes.

Abstract: Self-Assembled (SA) structures are formed via self-organizing processes in wich particles, molecules, polymers, nanoparticles, among other components organize themselves, through specific interactions, into well-organized macroscopic structures. When self-assembled, nanoparticles with specific functionalities can show improved characteristics or even new functionalities compared to disorganized systems. One of the easiest and most economical methods of self-assembling of nanoparticles onto a solid substrate is through evaporation-induced self organization. In this process, colloidal nanoparticles aggregate on a solid substrate in the liquid-vapour phase transition, when the thickness of the solvent becomes comparable to the diameter of the particles. The characteristics of the resulting structures depend on a set of mechanisms, such as convective processes, particle self-diffusion, evaporation dynamics and interparticle interactions. Among the various nanoparticles that are capable to form SAs, we highlight the quantum carbon dots (Cdots). Cdots are photoluminescent core/shell semiconductor nanoparticles having excellent optical properties, such as: photo-stability, size-dependent emission energy and intensity sensitive to particle aggregation. In this way, the organization of individual Cdots in ordered structures on solid substrates has the potential for possible nanodevices in area of biosensors, catalysis, optoelectronics, and data storage. In this work, we produced SA- structures of Cdots and subsequently study their morphological, structural, and optical properties. The Cdots were obtained by electrochemical exfoliation of a graphite electrode and the SA structures were obtained by the induced evaporation method, under controlled temperature. We investigated the effects of temperature, volume and concentration of the Cdot solution dropped onto the substrate on the formation of SA. Optical and fluorescence microscopy images showed the formation of SA structures of up to 1 mm witch different patterns such as: aggregation by limited diffusion, river-type fractal, fern-leaf-type fractal, films and bifurcated patterns. The variation of the parameters caused significant changes in the characteristics of the SA structures, such as: increase in the intensity of the photoluminescent, PL, or its annihilation and change in the patterns of self-organization. It is believed that the results obtained in this workprovide a preliminary overview of the different patterns of SA structures obtained using photoluminescent Cdots as building blocks.