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jun 25

Técnicas de medida do tamanho de nanopartículas

    Quando fazemos uma síntese de nanopartículas (Sejam elas constituídas por metais nobres, materiais magnéticos, compósitos, etc) é necessário realizar uma série de experimentos de caracterização. Fatores como tamanho, forma, composição, carga elétrica superficial, cor, atividade catalítica e estabilidade são dados importantes para qualquer profissional envolvido em trabalhos com nanotecnologia. Dentre esses parâmetro e outros não citados, um dos mais importantes, certamente, é o tamanho das nanopartículas. Em função da dimunição do tamanho, os nanomateriais possuem uma área superficial gigantesca (Veja o artigo que trata da relação entre tamanho e árera superficial no Olhar Nano). A área superficial (em conjunto com o número de átomos superficiais), por sua vez, é responsável por diversas propriedades do mundo nanométrico. Quanto menor o tamnho da nanopartícula, maior será a porcentagem de átomnos superficiais e assim propriedades como efeito catalítico serão alteradas. Portanto, é de consenso geral que o tamanho das nanopartículas é um fator de elevada importância não apenas para caracterização do material recém-sintetizado mas também na definição de suas aplicações.

    Existem diversas técnicas para estimar o tamanho de nanopartículas; dentre elas, as mais utilizadas são: microscopia eletrônica, espalhamento dinâmico de luz, espectroscopia eletrônica.  

    Entretanto, antes de discutir as técnicas citadas no parágrafo anterior, é necessário esclarecer uma questão; as nanopartículas podem ser preparadas artravés de duas metodologias: a primeira é partir de um material em tamanho macroscópico que é dividindo até restem partículas de tamanho nanométricos. Por exemplo, você pode pegar uma barra de prata e ir serrando essa barra em tamanhos cada vez menores, até chegar a ter pedacinhos de prata com dimensões menores que 100 nm, obtendo assim nanopartículas de prata. Essa estratégia é chamada Top-Down. A segunda maneira de se obter o mesmo resultado é utilizar átomos e moléculas como blocos de construção e uní-los até se chegar a estruturas em dimensões nanométricas. Por exemplo, você pode utilizar cátions de prata em solução e reduzí-los, fazendo com que formem agregados com tamanhos cada vez maiores até que atinjam algo em torno de 1nm-100nm. essa estratégia é chamada Bottom-up. Um exemplo dessa metodologia é o experimento que trata da síntese de nanopartículas de prata amarelas, publicadas no Olhar Nano.

   Ambas as metodologias exigem equipamentos próprios a apresentam algumas vantagens e desvantagens; em geral, a reprodutibilidade e controle de tamanho das nanopartículas é melhor utilizando-se a estratégia Bottom-up em função de podermos controlar variáveis como temperatura, agitação do sistema, concentração dos reagentes, pressão, etc. Ainda assim, não é possível sintetizar ummaterial onde todas as nanopartículas possuam o mesmo tamanho. Em umaamostra existirão nanopartículas de diversos tamanhos. Então por quê controlar os parâmetros de síntese? A resposta é simples: o que se procura obter é uma amostra de nanopartículas onde, estatísticamente, a maior parte delas possua uma faixa estreita de distribuição de tamanhos. Por essa razão, o tamanho dasnanopartículas geralmente é mostrado em artigos na forma de um histograma de distribuição de diâmetros

   Um histograma é uma ferramenta da estatística que corresponde a uma representação gráfica de distribuição de frequências de uma amostra de medições, na forma de um gráfico de barras verticais (Figura 1).

Figura1. Exemplo de hiastograma de distribuilçao de tamanhoas de uma amostra de nanopartículas. No eixo das abcissas temos os tamanhos das nanopartículas (Em nm) e no eixo das ordenadas, temos a porcentagem  (Frequência relativa) de partículas que situam-se nas respectivas faixasde tamanho.

 

  • Microscopia eletrônica

    No microscópio eletrônico, substituirmos o feixe de luz visível por um feixe de elétrons, possibilitando a observação (Indireta) de estruturas muito pequenas com resolução em escala nanométrica. Isso se deve ao fato de que, de acordo com a teoria de Louis de Brouglie, que os elétrons exibem comportamento ondulatório, com comprimento de onda substancialmente menos do que o da luz visível. Assim, a resolução de um microscópio eletrônico também será muito melhor do que a de um microscópio óptico convencional.

    Basicamente, podemos dividir os microscópios eletrônicos em dois grandes grupos, o MET (Microscópio eletrônico de transmissão) e o MEV (Microscópio eletrônico de varredura), sendo que o MET é normalmente mais utilizado para determinar tamanhos de nanopartículas.

    O MET projeta elétrons através de uma fatia muito fina do material a ser analisado (Na espessura de cerca de 70-100nm), produzindo uma imagem bidimensional em uma chapa fotográfica ou em uma tela fluorescente. O brilho de uma área em particular é proporcional ao número de elétrons que atravessou aquele ponto da amostra. A Figura 2 ilustra seu princípio de funcionamento:

 

Figura 2. Princípio de funcionamento do MET

 

      Em geral, o experimento utilzando o MET resulta em uma imagem semelhante à mostrada na Figura 2. Essa imagem é então transferida para um computador onde é tratada estatísticamente com ajuda de um software específico; para isso, é necessário calibrar o software através da barra de distância presente na microscopia (Geralmente indicada abaixo da imagem - observe a região circulada de vermelho na Figura 2) e então marcar, como mouse, os diâmetros de uma quantidade apreciável de nanopartículas presentes na imagem visualizada na tela do computador (Essa quantidade, para trabalhos precisos, geralmente situa-se na faixa de 2-3mil nanopartículas e de 200 a 300 partículas para trabalhos menos rigorosos). Terminando a marcação, os software irá gerar um conjunto de dados que pode então ser transferido para um software do tipo planilha de cálculo (Excle, Origin, Igor, etc) e utilizado para construir um histograma de distribuição de tamanhos, semelhante ao visualizado na Figura 1.

 

Figura 3. Imagem gerada através de microscopia eletrônica de transmissão mostrando nanobarras; observe a barra de escala no canto esquerdo inferior

    Esse método, embora possua grande precisão (Fator importante para trabalhos rigorosos), é trabalhoso e demorado, exigindo horas de trabalho além da necessidade de dois softwares, um para obtenção dos dados relativos a frequências absolutas de distribuição de tamanhos e outro para tratamento dos dados e organização na forma de um histograma de distribuição de tamanhos. Também é necessário, obviamente, dispor de um MET, que representa um equipamento caro e que exige treinamento específico para operação.

    Leia mais sobre microscopia eletrônica no artigo que trata sobre microscopia publicado no Olhar Nano.

  • Espalhamento dinâmico de luz (DLS)

​    Espalhamento dinâmico de Luz (Do inglês, Dynamic Light Scattering, DLS), também conhecido como espectroscopia de correlação de fótons, é uma das técnicas mais utilizadas na determinação de tamanhos de nanopartículas em função de sua praticidade, facilidade de operação e velocidade na aquisição dos dados. 

    O princípio em que a técnica se baseia é simples: quando a luz atinge pequenas partículas, ela se dispersa em todas as direções sem perda ou ganho de energia (Espalhamento Rayleigh).  Se utilizarmos um laser como fonte de luz (Os lasers possuem propriedades importantes, como apresentarem emissão de luz  monocromática e coerente até determinada distância), observamos que uma flutuação na intensidade do espalhamento que varia em função do tempo.  Essas flutuações ocorrem em função das nanopartículas (Ou pequenas partículas em solução) não ficarem estáticas, mas em movimento constante e aleatório (Movimento Browniano) e assim a distância entre os dispersores na solução está constantemente mudando com o tempo. Esta luz difusa, em seguida, sofre interferências construtivas ou destrutivas em torno das partículas e, através de procedimentos matemáticos (E considerações sobre o efeito Doppler), é possível associar essa variação de intensidade de espalhamento de luz em função do tempo ao tamanho das partículas dispersas em solução.

   A grande vantagem da técnica, conforme já foi comentado, é o tempo curto para aquisição dos dados (Cerca de 5 minutos); além disso, o aparelho que realiza a medida (Figura 4) possui um custo mais acessível que um microscópio eletrônico, é mais compacto e fácil de ser operado. O equipamento transmite os dados diretamente para um software onde é possível visualizar um histograma de distribuição de tamanhos e exportar esses dados para uma planilha de cálculo. Desvantagens incluem a necessidade de preparo da amostra para evitar contaminação com poeira e ajuste correto dos parâmetros de análise para evitar que dados falsos e artefatos de medida sejam visualizados (Em geral os equipamentos já acompanham um software e uma folha de dados para configuração dos parâmetros experimentais de acordo com a amostra e solvente utilizados).

Figura 4. Equipamento de medida de tamanho de nanopartículas baseado no espalhamento dinâmico de luz (DLS)

  • Espectroscopia eletrônica

    A espectroscopia eletrônica - ou espectroscopia no ultravioleta-visível (UV-Vis) - utiliza  fótons na faixa do ultravioleta próximo (UV: 200 < λ < 380-400 nm), do visível (Vis: 380-400 nm < λ < 700-800 nm), e do infravermelho próximo (800 nm < λ < 3300 nm). Esses fótons interagem com as moléculas provocando transições eletrônicas moleculares. O instrumento usado na espectroscopia UV-Vis é  o espectrofotômetro (Figura 5), que  basicamente é composto por uma fonte luz, um conjunto de componentes ópticos que levam esta radiação até a amostra, um compartimento de amostra  (Cubeta) e um ou mais detectores que medem a intensidade de radiação transmitida / absorvida. 

 

Figura 5. Partes que compõe um espectrofotômetro

      Nas nanopartículas, a cor observada é resultado dos plasmons, que podem ser entendidos como ondas proveniente da oscilação coletiva de elétrons presentes na nanopartícula.  Quando um plasmon é formado, acontece uma separação de cargas elétricas na partícula, em função da oscilação coletiva dos elétrons. Entretanto, essa condição é energeticamente desfavorável, em virtude da diminuição de entropia e o sistema tende a relaxar para retornar à condição inicial, com elétrons distribuídos uniformemente por toda a partícula. Assim, surge uma força restauradora, que contribui para a formação do plasmon e gera uma frequência de oscilação eletrônica interna na nanopartícula. Caso essa frequência de oscilação seja igual à frequência da radiação eletromagnética incidente, chegamos à condição de ressonância plasmônica. A ressonância plasmônica produz intensas oscilações eletrônicas na partícula, mesmo que a luz incidente seja de baixa intensidade. Essa oscilação terá magnetude dependente dos mecanismos de relaxação (Dissipação energética) que podem ser radiativos (Espalhamento da luz) ou não-radiativos (Absorção), explciados primeiramente pela teoria de Mie.

    Quando as nanopartículas sofrem agregação (e portanto, aumento do tamanho) essa variação pode ser visualizada através da mudança de cor da suspensão. Isso ocorre em virtude do campo elétrico evanescente, que pode ser imaginado como o deslocamento do plasmon além do ponto inicial. Se as partículas estiverem suficientemente próximas, seus campos elétricos evanescentes podem interagir entre si, gerando ressonância em energia menores (Comprimentos de conda maiores) levando, portanto, à mudança de cores e deslocamento das bandas de absorção observadas no espectro eletrônico (Além do aparecimento de novas bandas). Dessa forma, o espectro eletrônico obtido pode fornecer dados para estimar o tamanho médio das nanopartículas em suspensão. Os parâmetros utilizados, nesse caso, são o comprimento de onda onde a absorção é máxima e a largura da banda, nesse comprimento de onda, em metade de sua altura.

    A medida de tamanho das nanopartículas através da espectroscopia eletrônica possui como vantagens: valocidade de aquisição dos dados (Alguns segundos), baixo custo do equipamento,facilidade na operação. comod esvantagens, podemos citar baixa precisão e aplicação restrita a certos tipos de nanopartículas.

    Leia mais sobre a cor das nanopartículas no artigo que discute a ressonância plasmônica.

    CONCLUSÕES

   Nesse artigo, discutimos algumas das técnicas mais utilizadas na determinação do tamanho de nanopartículas. A aplicação de uma técnica dependerá da disponibilidade de equipamento, tempo hábil para se realizar a análise, precisão da medida e conhecimento do pesquisador em relação às técnicase operação dos instrumentos.

   Em breve, o Olhar Nano trará outros artigos que discutirão técnicas de análise para caracterização de propriedades como carga elétrica superficial, potencial catalítico, morfologia, entre outras que, em conjunto com o tamanho das nanopartículas, permitem uma caracterização completa do material com o qual se está trabalhando. 

 

    REFERÊNCIAS

  • Hall, C. E. Introduction to Electron Microscopy, McGrall-Hill, 1953
  •  Brust, M.; Kiely, C. J.  Colloids and Surfaces A-Physicochemical and Engineering Aspects 2002, 202, 175-186
  • Bohren, C. F.; Huffman, D. R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley-Interscience: New York, 1983

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