Estudo da adsorção de glifosato em grafeno e algumas de suas funcionalizações via teoria do funcional da densidade

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Araújo, Wanderson Souza
• Orientador(a): Piotrowski, Maurício Jeomar
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Pelotas
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Física
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: DFT; Grafeno; Glifosato; VASP; Graphene; Glyphosate
• Área do conhecimento CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
• Link de acesso: http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/handle/prefix/19145

A crescente demanda do setor agrícola atrelada ao aumento da renda per capita, da população global e do consumo de alimentos, faz com que seja crucial o uso de técnicas, maquinários e substâncias que propiciam o aumento da eficiência da produção. Nesta direção, defensivos agrícolas como o glifosato surgiram como uma excelente alternativa, por ser um herbicida não seletivo de amplo espectro de ação, eliminando ervas daninhas que competem por nutrientes com a cultura alvo. Introduzido na década de 1970, o glifosato representa atualmente cerca de 70% do uso de pesticida no Brasil. O seu uso exacerbado pode vir a ocasionar problemas ambientais tanto na flora quanto na fauna, além de estudos recentes indicarem ser um possível causador de câncer em seres humanos. Por se tratar de uma molécula polar e altamente solúvel em água, o glifosato apresenta grande risco de contaminação da biota aquática. Neste sentido, técnicas que detectem e/ou removam o glifosato da água são de grande interesse. Este trabalho tem como objetivo elucidar uma possível rota de detecção e remoção de glifosato a partir de substratos baseados em grafeno. Para isso, utilizamos a Teoria do Funcional da Densidade por meio do funcional de troca e correlação PBE juntamente com as correções de van der Waals D3 a partir do método do projetor de ondas aumentadas conforme implementado no pacote computacional VASP. Estudamos seis substratos: grafeno pristino, grafeno com monovacância, grafeno dopado com nitrogênio, grafeno dopado com oxigênio, grafeno adsorvido com nitrogênio e grafeno adsorvido com oxigênio. Adsorvemos o glifosato nos seis substratos através de configurações tentativas, as quais selecionamos as mais promissoras e realizamos Ab-Initio Molecular Dynamics (AIMD) em dois processos: termalização (realizada à temperatura constante de 300 K) e simulated annealing (iniciada em 300 K e decrescendo até 0 K). Posteriormente selecionamos snapshots de configurações de menores energias não equivalentes e realizamos otimização estrutural de maior precisão de onde extraímos as propriedades. Das adsorções podemos separar os resultados em três classes: (i) sistemas onde tivemos uma adsorção fraca caracterizada por uma fisissorção, que foram as adsorções feitas nos substratos pristino e dopados com N e O; (ii) sistema caracterizado por uma forte adsorção, do tipo quimissorção, com a energia de adsorção de magnitude maior que 2 eV, que foi a adsorção realizada no grafeno com monovacância; (iii) sistemas em que houve uma forte adsorção, caracterizando uma quimissorção também, porém com a formação de novos compostos, que ocorreram nos casos das adsorções no grafeno adsorvido (N e O). Realizamos também uma análise da diferença de densidade de carga onde podemos observar que a molécula tem tendência a ficar aniônica e o substrato catiônico. Nossos resultados indicam qual é a melhor utilização de cada substrato baseado em grafeno para remoção e/ou detecção de glifosato em água, servindo como um guia para o desenvolvimento de nanomateriais baseados em grafeno para estes fins.