NANOTUBOS DE CARBONO CARBOXILADOS E SUA INTERACÃO COM MOLÉCULAS DE ÁGUA: UMA ABORDAGEM EMPÍRICA E DE PRIMEIROS PRINCÍPIOS

Made available in DSpace on 2018-06-27T18:56:39Z (GMT). No. of bitstreams: 3 Ivi Lara.pdf: 2225740 bytes, checksum: 7987b7b16ad759ad1c13cf82cc2ba0ae (MD5) Ivi Lara.pdf.txt: 179428 bytes, checksum: 7367389b56d0393e07698631b3f3e926 (MD5) Ivi Lara.pdf.jpg: 3328 bytes, checksum: adc571d951701abcdea7d0b3762d108a (MD5)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorThis dissertation studied the interaction of carboxyl groups -COOH with (8,0) and (16,0) single wall carbon nanotubes, both semiconductors, by ab initio calculation based on the formalism of the Density Functional Theory using the SIESTA code, in which were adopted localized bases to the electronic wave functions description and Troullier- Martins pseudopotentials for describing the interaction between valence electrons and core electrons. As the -COOH group is taken as default when the purpose of the carbon nanotubes functionalization is to make them hydrophilic, this interaction was studied by different positions of the carboxyl on the nanotubes walls with different concentrations of those seeking to verify the influence of these parameters in the electronic character of the carbon nanotubes. By analyzing the energetic, structural and electronic properties of all patterns, it is observed that the carboxyl groups interact with the nanotubes through covalent bonds (binding energies between −3.39 and −0.73 eV , with the smallest for the case of carboxyl confined within the nanotube), nanotubes (16,0) are more flexible than the (8,0) (when connected to the same number of carboxyl groups), and a behavior, very interesting, is presented when the concentration of carboxylation is varied: the character of the system can be modulated from a semiconductor to semiconductor with a halffilled level over the Fermi level (methalic character tendency). It is still studied in this work, the dynamics of water molecules around pure and carboxylated carbon nanotubes, obtained from ab initio calculations, through classic molecular dynamics simulations, using empirical parameters with the GROMACS program. The structural analysis of water around the tubes indicated the already expected hydrophobic character of the pure nanotubes and the hydrophilic character of the carboxylated nanotubes with which the water molecules interactions are greater with its walls, a fact confirmed by energy analysis, which shows a higher interaction energy in this system. This work has, in addition to contributing to the understanding and analysis of related experimental results, pointing out also the possibility to modulate the electronic behavior of these systems at the nanoscale.Nesta dissertação é estudada a interação de grupos carboxila (-COOH) com nanotubos de carbono de paredes simples dos tipos (8,0) e (16,0), ambos semicondutores, através de cálculos ab initio baseados no formalismo da Teoria do Funcional da Densidade. Foi utilizado o programa SIESTA, no qual foram adotadas bases localizadas para a descrição das funções de onda eletrônicas, bem como pseudopotenciais de Troullier-Martins para a descrição da interação entre os elétrons de valência e o caroço atômico. Como o grupo -COOH é usado como grupo padrão quando o objetivo da funcionalização ao dos NTCs é torná-los hidrofílicos, esta interação foi estudada através de diferentes posições das carboxilas nas paredes dos nanotubos, com diferentes concentrações destas, buscando verificar a influência destes parâmetros no caráter eletrônico dos NTCs. Analisando as propriedades energéticas, estruturais e eletrônicas de todas as configurações estudadas, observa-se que as carboxilas interagem com os nanotubos através de ligações covalentes (energias de ligação entre −3, 39 e −0, 73 eV , sendo a menor para o caso da carboxila confinada no interior do nanotubo), os nanotubos (16,0) se mostram mais flexíveis que os (8,0) (quando ligados ao mesmo número de carboxilas) e, um comportamento, bastante interessante, se apresenta quando a concentração da carboxilação é variada: o caráter do sistema pode ser modulado de semicondutor para semicondutor com gap semipreenchido (tendência a caráter metálico). É, estudada ainda, neste trabalho, a dinâmica das moléculas de água em torno de nanotubos puros e carboxilados, obtidos a partir dos calculos ab initio, através de simulações de dinâmica molecular clássica, utilizando parâmetros empíricos com o programa GROMACS. A análise estrutural da água em torno dos nanotubos indicou o já esperado caráter hidrofóbico dos NTCs puros, bem como o caráter hidrofílico do nanotubo carboxilado, com o qual as moléculas de água passam a ter uma maior interação com suas paredes, fato este confirmado através da análise energética, que mostra uma maior energia de interação nesse sistema. Este trabalho vem, além de contribuir na compreensão e análise dos referentes resultados experimentais, apontar, ainda, a possibilidade de modular o comportamento eletrônico desses sistemas na nanoescala