Modelagem e simulação computacional de superfícies e nanotubos porosos de carbono, nitreto de boro, silício e óxido de zinco - Fabris, Guilherme da Silva Lopes [UNESP] (2019)
A modelagem e simulação computacional tem se mostrado como uma ferramenta extremamente útil na pesquisa de novos materiais, pois além de auxiliar e confirmar resultados experimentais, também pode prever e propor novas estruturas. Entre os materiais mais estudados atualmente, podemos destacar o grafeno, que detém ótimas propriedades eletrônicas e mecânicas, com o crescimento do interesse em materiais bidimensionais, foi comprovada a existência de análogos inorgânicos ao grafeno, como por exemplo, o nitreto de boro hexagonal (g-hBN), siliceno(g-Si) e óxido de zinco(g-ZnO); esse leque de estruturas diferentes abriram diversas possibilidades de aplicações, que abrangem desde o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos até a biomedicina. A criação de defeitos estruturais (poros) na estrutura pode auxiliar na modulação das propriedades eletrônicas de certos materiais, as quais podem ter formas organizadas e periódicas. Deste modo, esta tese teve como objetivo a modelagem e simulação computacional de superfícies e nanotubos porosos de carbono, nitreto de boro, silício e óxido de zinco, sendo os três últimos propostos pela primeira vez na literatura, aplicando técnicas de modelagem computacional a estruturas cristalinas, tais como a escolha das funções de base e funcionais, otimização da estrutura e de suas propriedades estruturais, eletrônicas, mecânicas e vibracionais. Estas simulações foram executadas aplicando-se a Teoria do Funcional da Densidade combinadas com o funcional híbrido B3LYP e funções de base all-elétron. Inicialmente descrevemos quatro superfícies porosas, o grafeno poroso (PG), grafenileno (GP), nitreto de boro poroso (PBN) e grafenileno inorgânico do tipo BN (IGP-BN), onde observamos que a existência de poros não afeta de forma significativa a sua resistência a deformação, no entanto, ao se hidrogenar a superfície do grafeno, é possível obter o PG que tem um band gap ~3,7 eV, e se desidrogenar a estrutura há uma interconversão espontânea para o GP que possuí um band gap de ~0,7 eV. Também foram modeladas estruturas porosas derivadas do g-Si, as quais verificamos que a presença do hidrogênio também cria um band gap de ~ 1,4 eV, e após sua interconversão para o silicenileno, as propriedades eletrônicas oriundas do g-Si são preservadas, tendo um band gap de ~74meV. Nanotubos porosos de carbono (PGNTs e GPNTs) e nitreto de boro (PBNNTs e IGP-BNNTs) foram modelados, e suas propriedades também foram analisadas, onde verificamos que a aplicação de uma força de estiramento traz uma grande aumento na resposta piezoelétrica dos PBNNTs do tipo zigzag, indicando possíveis aplicações como nanosensor e em dispositivos eletromecânicos. Superfícies e nanotubos porosos de óxido de zinco (PZnO/PZnONTs e IGP-ZnO/IGP-ZnONTs) também foram simulados, onde verificamos que o IGP-ZnO tem maior estabilidade quando comparada ao PZnO, no entanto ambas são menos estáveis que o g-ZnO; foi observado também o mesmo comportamento de interconversão entre ambas estruturas; além de identificar a presença de interações de van der Waals Zn-Hδ----Hδ+-O, que indicam ser importantes para manter a estrutura do PZnO estável. Já os nanotubos de PZnONTs e de IGP-ZnONTs convergiram suas propriedades eletrônicas para as suas respectivas superfícies porosas geradoras. Os PZnONTs apresentaram uma resposta piezoelétrica cerca de sete vezes maior que o PZnO, e também foram identificados comportamentos anômalos em nanotubos ultrafinos, em especial, o IGP-ZnO(2,0), o qual denominamos como nanofio de (ZnO)12, que ao invés de manter uma forma tubular, distorceu-se tomando a forma de um nanofio composto por dois fulerenos (do tipo C24) rotacionados entre si em 90°, com propriedades estruturais similares ao fulereno Zn12O12.