The fundamental properties of phyllosilicates and its hydration at the nanoscale by water confinement

Abstract

A água é a matriz da vida e seu confinamento em nanocavidades é um tema central desde a geofísica até a nanotribologia. Os minerais filossilicatos de estrutura em camadas atuam como nanocavidades naturais para a água devido à sua capacidade de se hidratarem ao confinar as moléculas de água no espaço interlamelar. Abundantes na Terra, a ocorrência de minerais filossilicatos em outros planetas é uma assinatura da presença de água. No entanto, a hidratação de filossilicatos na nanoescala não é um processo totalmente compreendido e varia entre os espécimes geológicos. Por outro lado, os minerais filossilicatos são isolantes de largo \textit{bandgap} e baixo-custo associado que têm sido recentemente explorados na fabricação de nanodispositivos. Por serem de origem natural, é comum a presença de impurezas. Dessa forma, é crucial entender como as impurezas e a hidratação através do nanoconfinamento de água alteram as propriedades fundamentais dos filossilicatos em sua forma de poucas camadas visando aplicações bi-dimensionais (2D).

Explorando o clinocloro do grupo das cloritas e a flogopita do grupo das micas trioctaédricas, esta tese visa expandir o conhecimento das propriedades fundamentais e hidratação dos filossilicatos na forma de poucas camadas. Primeiramente, realizou-se uma caracterização experimental robusta da estrutura, morfologia e de defeitos e impurezas das amostras. Com isso, foi possível fornecer uma descrição completa da estrutura 2D do clinocloro e flogopita e suas propriedades fundamentais a partir da forma bulk. Para elucidar como variações na estrutura atômica desses espécimes pouco explorados de filossilicatos favorecem o geoconfinamento da água e suas propriedades, uma ampla análise do nanoconfinamento de água em ambos filossilicatos foi conduzida. Através de técnicas avançadas de varredura por nanossonda, foi possível obter as propriedades vibracionais dos filossilicatos na sua forma de poucas camadas e determinar que a água nanoconfinada altera as propriedades mecânicas e dielétricas dos minerais. Os resultados obtidos sugerem que a água confinada pode se condensar formando gelo à temperatura ambiente, sendo estável à variação de umidade relativa, mas instável ao aumento de temperatura. Como resultado único, demonstrou-se um método controlado de nanomanipulação mecânica da água interlamelar.

Notavelmente, esta tese abre portas para a multifuncionalização dos minerais filossilicatos em sua forma de poucas camadas visando aplicações nas fronteiras da nanotecnologia - desde catálise, microfluídica e conformação de biomoléculas até sensoriamento e fabricação de nanodispositivos optoeletrônicos.