Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Almeida , Larissa Solano de
Orientador(a): Rossino , Luciana Sgarbi lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus Sorocaba
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais - PPGCM-So
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/22113
Resumo: Carbon nanotubes (CNTs) stand out in research due to their attractive chemical and physical properties, which are influenced by the high quality of these nanostructures and allow their application in several areas. The quality of CNTs is directly related to growth parameters, such as gas flow, voltage, time, and temperature. Conventional techniques, such as chemical vapor deposition (CVD), produce carbon nanostructures with fewer defects but require high temperatures, reaching 1000 °C. A promising alternative is plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD), capable of producing CNTs at temperatures close to 450 °C. This work aimed to obtain CNTs through the PECVD technique with a pulsed DC source. The growth was performed on a nickel substrate, using Ar/H₂/CH₄ gases, with a voltage of 500 to 800 V, temperature of approximately 450 °C, and treatment times ranging from 5 to 30 minutes. The discovered nanostructures were recorded by Raman spectroscopy, SEM, TEM, XPS, fixed-sphere wear test, UV-Vis scattering test, and cytotoxicity and toxicity tests in terrestrial and aquatic environments. The Raman spectra revealed bands characteristic of carbon-based materials, such as D, G, D’, 2D, and D+G. For effective growth, the plasma needed to have sufficient energy, and the SEM micrographs confirmed the effective formation of CNTs at resistances above 700 V. The growth time directly influenced the quantity and quality of CNTs, with greater production observed in periods longer than 15 minutes. The diameter of the CNTs increased with the increase in the total gas flow. The results indicated the delivery of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), with the presence of defects, which may be advantageous depending on the application. The optimized growth settings were: flow rate of 235 sccm, voltage of 800 V, and time of 30 minutes, producing MWCNTs effectively. Furthermore, with the optimized settings, it was possible to evaluate the incorporation of nitrogen on the surface of the CNTs. The results demonstrated that the increase in the nitrogen flow caused greater structural disorder, indicating its incorporation. The CNTs presented greater dispersivity in an aqueous medium compared to CNTs with nitrogen and commercial CNTs. Furthermore, the CNTs demonstrated lower toxicity in biological, terrestrial, and aquatic systems, being promising for bioapplications. As a second work proposal, the production of a CNTs/DLC hybrid carbon nanostructure was carried out, evaluating its tribological potential. The material presented wear resistance, showing significant potential due to the synergy between the properties of CNTs and DLC films. However, further studies and characterization techniques are needed to validate these results. Thus, the work highlights the importance of optimizing growth parameters to obtain quality and quantity of CNTs at low temperatures using the PECVD technique.
id SCAR_d5a7abf3808f0d007a59d9bd738c4b3c
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22113
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str
spelling Almeida , Larissa Solano deRossino , Luciana Sgarbihttp://lattes.cnpq.br/0139027055418391Viana Neto , Bartolomeu Cruzhttp://lattes.cnpq.br/2504557482950231http://lattes.cnpq.br/6673871313645316https://orcid.org/0000-0001-6858-1524https://orcid.org/0000-0003-2755-8349https://orcid.org/0000-0002-5207-42692025-05-27T17:32:08Z2025-03-28ALMEIDA , Larissa Solano de. Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações. 2025. Tese (Doutorado em Ciência dos Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, Sorocaba, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22113.https://hdl.handle.net/20.500.14289/22113Carbon nanotubes (CNTs) stand out in research due to their attractive chemical and physical properties, which are influenced by the high quality of these nanostructures and allow their application in several areas. The quality of CNTs is directly related to growth parameters, such as gas flow, voltage, time, and temperature. Conventional techniques, such as chemical vapor deposition (CVD), produce carbon nanostructures with fewer defects but require high temperatures, reaching 1000 °C. A promising alternative is plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD), capable of producing CNTs at temperatures close to 450 °C. This work aimed to obtain CNTs through the PECVD technique with a pulsed DC source. The growth was performed on a nickel substrate, using Ar/H₂/CH₄ gases, with a voltage of 500 to 800 V, temperature of approximately 450 °C, and treatment times ranging from 5 to 30 minutes. The discovered nanostructures were recorded by Raman spectroscopy, SEM, TEM, XPS, fixed-sphere wear test, UV-Vis scattering test, and cytotoxicity and toxicity tests in terrestrial and aquatic environments. The Raman spectra revealed bands characteristic of carbon-based materials, such as D, G, D’, 2D, and D+G. For effective growth, the plasma needed to have sufficient energy, and the SEM micrographs confirmed the effective formation of CNTs at resistances above 700 V. The growth time directly influenced the quantity and quality of CNTs, with greater production observed in periods longer than 15 minutes. The diameter of the CNTs increased with the increase in the total gas flow. The results indicated the delivery of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), with the presence of defects, which may be advantageous depending on the application. The optimized growth settings were: flow rate of 235 sccm, voltage of 800 V, and time of 30 minutes, producing MWCNTs effectively. Furthermore, with the optimized settings, it was possible to evaluate the incorporation of nitrogen on the surface of the CNTs. The results demonstrated that the increase in the nitrogen flow caused greater structural disorder, indicating its incorporation. The CNTs presented greater dispersivity in an aqueous medium compared to CNTs with nitrogen and commercial CNTs. Furthermore, the CNTs demonstrated lower toxicity in biological, terrestrial, and aquatic systems, being promising for bioapplications. As a second work proposal, the production of a CNTs/DLC hybrid carbon nanostructure was carried out, evaluating its tribological potential. The material presented wear resistance, showing significant potential due to the synergy between the properties of CNTs and DLC films. However, further studies and characterization techniques are needed to validate these results. Thus, the work highlights the importance of optimizing growth parameters to obtain quality and quantity of CNTs at low temperatures using the PECVD technique.Os nanotubos de carbono (CNTs) destacam-se nas pesquisas devido às suas propriedades químicas e físicas atrativas, influenciadas pela alta qualidade dessas nanoestruturas, permitindo sua aplicação em diversas áreas. A qualidade dos CNTs está diretamente relacionada aos parâmetros de crescimento, como fluxo de gases, tensão, tempo e temperatura. As técnicas convencionais, como a deposição química a vapor (CVD), produzem nanoestruturas de carbono com menos defeitos, mas requerem altas temperaturas, que podem chegar a 1000 °C. Uma alternativa promissora é a deposição química de vapor assistida por plasma (PECVD), capaz de produzir CNTs em temperaturas próximas de 450 °C. Este trabalho teve como objetivo obter CNTs por meio da técnica PECVD com fonte DC-pulsada. O crescimento foi realizado em substrato de níquel, utilizando os gases Ar/H₂/CH₄, com tensões de 500 a 800 V, temperatura de aproximadamente 450 °C e tempos de tratamento variando entre 5 e 30 minutos. As nanoestruturas obtidas foram caracterizadas por espectroscopia Raman, MEV, TEM, XPS, teste de desgaste por esfera fixa, teste de dispersão por UV-Vis, além de ensaios de citotoxicidade e de toxicidade em meio terrestre e aquático. Os espectros Raman revelaram bandas características de materiais à base de carbono, como D, G, D’, 2D e D+G. Para um crescimento eficaz, foi necessário que o plasma apresentasse energia suficiente, e as micrografias de MEV confirmaram a formação efetiva de CNTs em tensões superiores a 700 V. O tempo de crescimento influenciou diretamente a quantidade e a qualidade dos CNTs, com maior produção observada em períodos superiores a 15 minutos. O diâmetro dos CNTs aumentou com o incremento do fluxo total de gás. Os resultados indicaram a obtenção de nanotubos de carbono de múltiplas paredes (MWCNTs), com presença de defeitos, que podem ser vantajosos dependendo da aplicação. Os parâmetros otimizados de crescimento foram: fluxo de 235 sccm, tensão de 800 V e tempo de 30 minutos, produzindo MWCNTs de forma eficaz. Além disso, com os parâmetros otimizados, foi possível avaliar a incorporação de nitrogênio na superfície dos CNTs. Os resultados mostraram que o aumento no fluxo de nitrogênio causou maior desordem estrutural, sugerindo sua incorporação. Os CNTs apresentaram maior dispersividade em meio aquoso em comparação aos CNTs com nitrogênio e aos CNTs comerciais. Além disso, os CNTs demonstraram menor toxicidade em sistemas biológicos, terrestres e aquáticos, sendo promissores para bioaplicações. Como segunda proposta do trabalho, foi realizada a produção de uma nanoestrutura de carbono híbrida CNTs e filme de carbono amorfo hidrogenado (DLC) visando avaliar seu potencial tribológico. O material apresentou resistência ao desgaste, mostrando um potencial significativo devido à sinergia entre as propriedades dos CNTs e dos filmes DLC. No entanto, são necessários mais estudos e técnicas de caracterização para validar esses resultados. Dessa forma, o trabalho destaca a importância da otimização dos parâmetros de crescimento para a obtenção de CNTs de qualidade e em quantidade, a baixas temperaturas, utilizando a técnica PECVD.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)(001) CAPESporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus SorocabaPrograma de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais - PPGCM-SoUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessNanotubo de carbonoNanoestrutura híbrida de carbonoPlasmaPECVDFonte DC-pulsadaCarbon nanotubeHybrid carbon nanostructurePlasmaPECVDDC-pulsed sourceENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSProdução de nanoestruturas de carbono para bioaplicaçõesProduction of carbon nanostructures for bioapplicationsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALPRODUÇÃO DE NANOESTRUTURAS DE CARBONO PARA BIOAPLICAÇÕES_Larissa S Almeida_versão final .pdfPRODUÇÃO DE NANOESTRUTURAS DE CARBONO PARA BIOAPLICAÇÕES_Larissa S Almeida_versão final .pdfapplication/pdf8180163https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d70c0291-34c9-475e-bbaf-b3df6d71be68/download14453b8121f06d976d752f68a65dc996MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8905https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/786a225b-6a7d-494b-97fa-a6530c951e11/download57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0MD52falseAnonymousREADTEXTPRODUÇÃO DE NANOESTRUTURAS DE CARBONO PARA BIOAPLICAÇÕES_Larissa S Almeida_versão final .pdf.txtPRODUÇÃO DE NANOESTRUTURAS DE CARBONO PARA BIOAPLICAÇÕES_Larissa S Almeida_versão final .pdf.txtExtracted texttext/plain102649https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/2548ea26-ec27-4694-987c-1f05c17c8ecb/downloadd5955c10aa60274c9985c126ae2f8dd5MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILPRODUÇÃO DE NANOESTRUTURAS DE CARBONO PARA BIOAPLICAÇÕES_Larissa S Almeida_versão final .pdf.jpgPRODUÇÃO DE NANOESTRUTURAS DE CARBONO PARA BIOAPLICAÇÕES_Larissa S Almeida_versão final .pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3591https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d1cac868-f464-4194-98ea-ebff1b31531d/download2f62d0f0cc1ee915c91e2a6862cef2bcMD54falseAnonymousREAD20.500.14289/221132025-05-28 00:06:45.878http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22113https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-05-28T03:06:45Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.por.fl_str_mv Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Production of carbon nanostructures for bioapplications
title Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações
spellingShingle Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações
Almeida , Larissa Solano de
Nanotubo de carbono
Nanoestrutura híbrida de carbono
Plasma
PECVD
Fonte DC-pulsada
Carbon nanotube
Hybrid carbon nanostructure
Plasma
PECVD
DC-pulsed source
ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
title_short Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações
title_full Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações
title_fullStr Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações
title_full_unstemmed Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações
title_sort Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações
author Almeida , Larissa Solano de
author_facet Almeida , Larissa Solano de
author_role author
dc.contributor.authorlattes.none.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/6673871313645316
dc.contributor.authororcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0000-0001-6858-1524
dc.contributor.advisor1orcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0000-0003-2755-8349
dc.contributor.advisor-co1orcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0000-0002-5207-4269
dc.contributor.author.fl_str_mv Almeida , Larissa Solano de
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Rossino , Luciana Sgarbi
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/0139027055418391
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv Viana Neto , Bartolomeu Cruz
dc.contributor.advisor-co1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/2504557482950231
contributor_str_mv Rossino , Luciana Sgarbi
Viana Neto , Bartolomeu Cruz
dc.subject.por.fl_str_mv Nanotubo de carbono
Nanoestrutura híbrida de carbono
Plasma
PECVD
Fonte DC-pulsada
topic Nanotubo de carbono
Nanoestrutura híbrida de carbono
Plasma
PECVD
Fonte DC-pulsada
Carbon nanotube
Hybrid carbon nanostructure
Plasma
PECVD
DC-pulsed source
ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
dc.subject.eng.fl_str_mv Carbon nanotube
Hybrid carbon nanostructure
Plasma
PECVD
DC-pulsed source
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
description Carbon nanotubes (CNTs) stand out in research due to their attractive chemical and physical properties, which are influenced by the high quality of these nanostructures and allow their application in several areas. The quality of CNTs is directly related to growth parameters, such as gas flow, voltage, time, and temperature. Conventional techniques, such as chemical vapor deposition (CVD), produce carbon nanostructures with fewer defects but require high temperatures, reaching 1000 °C. A promising alternative is plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD), capable of producing CNTs at temperatures close to 450 °C. This work aimed to obtain CNTs through the PECVD technique with a pulsed DC source. The growth was performed on a nickel substrate, using Ar/H₂/CH₄ gases, with a voltage of 500 to 800 V, temperature of approximately 450 °C, and treatment times ranging from 5 to 30 minutes. The discovered nanostructures were recorded by Raman spectroscopy, SEM, TEM, XPS, fixed-sphere wear test, UV-Vis scattering test, and cytotoxicity and toxicity tests in terrestrial and aquatic environments. The Raman spectra revealed bands characteristic of carbon-based materials, such as D, G, D’, 2D, and D+G. For effective growth, the plasma needed to have sufficient energy, and the SEM micrographs confirmed the effective formation of CNTs at resistances above 700 V. The growth time directly influenced the quantity and quality of CNTs, with greater production observed in periods longer than 15 minutes. The diameter of the CNTs increased with the increase in the total gas flow. The results indicated the delivery of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), with the presence of defects, which may be advantageous depending on the application. The optimized growth settings were: flow rate of 235 sccm, voltage of 800 V, and time of 30 minutes, producing MWCNTs effectively. Furthermore, with the optimized settings, it was possible to evaluate the incorporation of nitrogen on the surface of the CNTs. The results demonstrated that the increase in the nitrogen flow caused greater structural disorder, indicating its incorporation. The CNTs presented greater dispersivity in an aqueous medium compared to CNTs with nitrogen and commercial CNTs. Furthermore, the CNTs demonstrated lower toxicity in biological, terrestrial, and aquatic systems, being promising for bioapplications. As a second work proposal, the production of a CNTs/DLC hybrid carbon nanostructure was carried out, evaluating its tribological potential. The material presented wear resistance, showing significant potential due to the synergy between the properties of CNTs and DLC films. However, further studies and characterization techniques are needed to validate these results. Thus, the work highlights the importance of optimizing growth parameters to obtain quality and quantity of CNTs at low temperatures using the PECVD technique.
publishDate 2025
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2025-05-27T17:32:08Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2025-03-28
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv ALMEIDA , Larissa Solano de. Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações. 2025. Tese (Doutorado em Ciência dos Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, Sorocaba, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22113.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/20.500.14289/22113
identifier_str_mv ALMEIDA , Larissa Solano de. Produção de nanoestruturas de carbono para bioaplicações. 2025. Tese (Doutorado em Ciência dos Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, Sorocaba, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22113.
url https://hdl.handle.net/20.500.14289/22113
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus Sorocaba
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais - PPGCM-So
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus Sorocaba
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d70c0291-34c9-475e-bbaf-b3df6d71be68/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/786a225b-6a7d-494b-97fa-a6530c951e11/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/2548ea26-ec27-4694-987c-1f05c17c8ecb/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d1cac868-f464-4194-98ea-ebff1b31531d/download
bitstream.checksum.fl_str_mv 14453b8121f06d976d752f68a65dc996
57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0
d5955c10aa60274c9985c126ae2f8dd5
2f62d0f0cc1ee915c91e2a6862cef2bc
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv repositorio.sibi@ufscar.br
_version_ 1851688828953165824