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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Metrologia aplicada a nanomateriais: estudo comparativo de técnicas e métodos
Authors: Taiane Guedes Fonseca de Souza
First Advisor: Virginia Sampaio T Ciminelli
First Co-advisor: Nelcy Della Santina Mohallem
First Referee: Herman Sander Mansur
Second Referee: Luciana Moreira Seara
Third Referee: Rodrigo Lambert Oréfice
Abstract: O desenvolvimento de nanomateriais e suas aplicações científicas e comerciais têm aumentado significativamente e, para tanto, a precisão e a confiabilidade da medição de suas propriedades tornam-se essenciais. Apesar da existência de estudos devotados a aumentar a acurácia das medições na escala nano e no desenvolvimento de equipamentos, lacunas são frequentemente identificadas, tais como a falta de reprodutibilidade de resultados obtidos por diferentes laboratórios, de padrões, de rastreabilidade, de metodologias padronizadas, entre outras. O presente trabalho avaliou os vários parâmetros que podem influenciar as medidas de tamanho de nanopartículas não condutivas (NPs) por meio da análise de amostras de poliestireno com tamanho certificado de (102 ± 3)nm utilizando as técnicas de microscopia eletrônica de transmissão (MET), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia de força atômica (MFA) e espalhamento dinâmico de luz (DLS). Demonstrou-se que, através de manipulação adequada dos parâmetros e considerando as limitações inerentes aos métodos, todas as técnicas permitem a determinação de tamanhos compatíveis com o valor certificado, utilizando-se o teste t de Student, em um nível de confiança de 95%. A técnica MET apresentou os melhores resultados em termos de repetibilidade e de tendência para o valor certificado. A preparação de amostra mostrou-se como a maior fonte de erro desta técnica. Medições por MEV não apresentaram repetibilidade ao longo do tempo, de acordo com o teste de Dunnett, em um nível de confiança de 95%, além de apresentarem o maior erro, dentre as técnicas estudadas, em relação ao valor certificado. Resultados de MFA apresentaram o maior desvio padrão, apesar da sua elevada precisão associada com o eixo Z. Verificou-se que tanto o software para tratamento de dados quanto o tipo de procedimento de tratamento de imagens influenciam a medição do tamanho das partículas. Os resultados obtidos com a técnica de DLS mostraram-se sensíveis a diversos parâmetros operacionais (tais como a diluição e o uso de dispersantes) e apresentaram um grande desvio padrão. Além disso, a comparação dos resultados de tamanhos obtidos por DLS com aqueles obtidos por técnicas de microscopia deve ser realizada com cuidado, uma vez que a técnica mede o diâmetro hidrodinâmico e fornece distribuição em intensidade (não em número). Adicionalmente, os erros associados aos diferentes métodos de preparação das amostras sobre substratos de silício e mica para as medidas de tamanho por MFA foram investigados. Mostrou-se que a diluição da suspensão de nanopartículas foi o suficiente para obter uma boa dispersão sobre o substrato de mica. Para substrato de silício a preparação da amostra foi significativamente melhorada pelo tratamento do substrato com glow discharge.Em resumo, a identificação dos desvios no tamanho das nanopartículas, obtido a partir das diferentes técnicas, e dos parâmetros que podem contribuir para estes desvios constituíram um estudo metrológico que possibilitou uma maior compreensão dos erros associados à medição de nanopartículas, contribuindo assim para o aumento da precisão destas medições.
Abstract: Nanomaterial manipulation has increased scientifically and commercially, and for both, the reliability of measurement is essential. Measurements at the nanoscale must be comparable and reliable whenever the measurement is made.In this work we discuss several parameters that may influence the non conductive nanoparticles (NP) size measurements by analysing polystyrene samples with certified sizes (102 ± 3)nm using transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and dynamic light scattering (DLS) techniques. It was shown that by an adequate manipulation of their parameters and regarding their inherent limitation (e.g. hydrodynamic diameter for DLS) all techniques allow finding values compatible with the certified ones, according to one sample Students t-test at a 95% confidence level. The TEM technique presented the best results in terms of repeatability and bias to the certified value. The sample preparation is the major source of error of this technique. Measurements by SEM did not present repeatability over time and showed the highest bias to the certified value, according to Dunnets test at a 95% confidence level. AFM results presented the highest standard deviation, despite its high precision associated with the Z-axis. It was found that both the software for data treatment and the type of flattening procedure were shown to influence the particle size measurement. The results obtained from the DLS technique proved to be sensitive to several operating parameters (such as dilution and the use of dispersant) and showed a large standard deviation. Furthermore, comparison of results of NPs sizes obtained by DLS with those obtained by microscopy techniques should be performed carefully, since the technique measures hydrodynamic diameter and provides intensity distribution (not by number). In addition, the errors associated with different methods of sample preparation on silicon and mica substrates for measurement in AFM were investigated. It was shown that the dilution of the polymeric nanoparticle suspension was enough to achieve good dispersion on the mica substrate. For silicon substrate the sample preparation was significantly improved by treating the substrate with glow discharge.In summary, the identification of the deviations in nanoparticles size, obtained from each technique, and the parameters that contribute to these deviations constitute a metrological study that allows a better understanding of the size measurement errors and contribute to increasing their accuracy.
Subject: Nanopartículas
Materiais
Ciência dos materiais
Nanomateriais
Medição
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AX8LJM
Issue Date: 27-Apr-2015
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