Estudo e aplicações da interface grafeno-água
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Cristiano Fantini Leite
Alexandre Reily Rocha
Mário Sérgio de Carvalho Mazzoni
Cecília de Carvalho Castro e Silva
Alexandre Reily Rocha
Mário Sérgio de Carvalho Mazzoni
Cecília de Carvalho Castro e Silva
Resumo
Grafeno é um material bidimensional (2D) composto apenas por átomos de carbono, que
tem sido amplamente estudado devido às suas propriedades elétricas, mecânicas e ópticas.
A combinação deste material com algumas técnicas de caracterização tem alcançado
importantes conquistas, especialmente no desenvolvimento de biossensores. No entanto,
o uso do grafeno para tais fins, se inicia com o desafio de entender e dominar todas as
propriedades deste material na presença de meios líquidos.
Desta forma, a primeira proposta desta tese consiste em aprimorar o entendimento
das propriedades elétricas do grafeno, quando este passa a estar na interface ar/água.
Realizamos esse estudo através da construção de um dispositivo que nos permitiu estudar a
interação do grafeno suspenso sobre água, ou seja, sem a presença de substratos. Observamos
que, a diminuição abrupta da resistividade do grafeno suspenso na presença de água é de
natureza eletromecânica, com um efeito de transferência de carga de magnitude muito
menor, caso existam, que efeitos mecânicos. Esse resultado não apenas esclarece alguns
enigmas científicos básicos (transferência de carga da água para o grafeno), mas também
desbloqueia novas aplicações para sistemas fluídicos híbridos de baixa dimensão.
Em uma segunda abordagem, fabricamos uma plataforma de microburacos para análise
de biomateriais em ambientes líquidos com espectroscopia de infravermelho realizada em
nanoescala. Nesse segundo trabalho, a partir da interface grafeno/líquido, juntamente com
a técnica SINS (do ingles Synchrotron Infrared Nano-spectroscopy) obtemos a “impressão
digital” infravermelha de fluidos, biológicos e químicos, tais como o Dimetil Sulfóxido
(DMSO), Fosfato dipotássico (KH2PO4) e ácido pirenobutanóico éster succinimidílico
(PBSE). Além disso, demonstramos a nanoespectroscopia de fragmentos de albumina de
soro humano (HSA) em água com uma visão clara das assinaturas espectrais de proteínas
e suas estruturas secundárias através da resposta vibracional das bandas amidas I-II.
Abstract
Graphene is a two-dimensional (2D) material composed only of carbon atoms, which
has been widely studied due to its electrical, mechanical and optical properties. The
combination of this material with some characterization techniques has achieved important
achievements, especially in the development of biosensors. However, the use of graphene
for such purposes begins with the challenge of understanding all the properties of this
material in the presence of liquid media.
Thus, the first proposal of this thesis is to improve the understanding of the electrical
properties of graphene, when it becomes at the air/water interface. We conducted this study
by building a device that allowed us to study the interaction of graphene suspended over
water, that is, without the presence of substrates. We observed that the abrupt decrease
in the resistivity of suspended graphene in the presence of water is electromechanical in
nature, with a load transfer effect of much less magnitude, if any, than mechanical effects.
This result not only clears up some basic scientific enigmas (transferring charge from water
to graphene), but it also unlocks new applications for small fluid hybrid systems.
In a second approach, we manufacture a micro-hole platform for analyzing biomaterials
in liquid environments with nanoscale infrared spectroscopy. In this second work, using
the graphene / liquid interface, together with the SINS technique (Synchrotron Infrared
Nano-spectroscopy), we obtain the infrared “fingerprint” of fluids, biological and chemical,
such as Dimethyl Sulfoxide (DMSO), Potassium dihydrogen phosphate (KH2PO4) and
pyrenobutanoic acid succinimidyl ester (PBSE). In addition, we demonstrate the nanospectroscopy of fragments of human serum albumin (HSA) in water with a clear view of the
spectral signatures of proteins and their secondary structures through the vibrational
response of the amide bands I-II.
Assunto
Grafeno, Interfaces, Dispositivos nanoeletrônicos
Palavras-chave
Grafeno, Interfaces, Nano-FTIR, Nano-devices