ÁREA: Química dos Materiais
TÍTULO: ESTUDO COMPUTACIONAL DA DIFERENÇA ENERGÉTICA ENTRE AS BANDAS DE VALÊNCIA E CONDUÇÃO DE POLIMERO CONDUTOR PRECURSOR DE MÚSCULOS ARTIFICIAS
AUTORES: PRADO,A.R. - UFES
BESSA,H.V. - UFES
ALTOÉ,R. - UFES
ROMAO,W. -UFES
FILHO,E.A.S. - UFES
RESUMO: O presente trabalho descreve simulações computacionais da poliacrilonitrila (PAN) devido a varias características importantes já divulgadas (SCHREYER et al., 2000) que fazem desse material ser potencialmente viável a aplicações como músculos artificiais.
Nas simulações foram utilizados o método semi-empírico (PM3) como base operacional, sendo processados a otimização estrutural e os cálculos das energias dos orbitais moleculares dos modelos teóricos da poliacrilonitrila. Com os valores dos orbitais energéticos foi possível analisar as modificações energéticas sofridas pelo polímero a inclusão de um agente dopante.
PALAVRAS CHAVES: poliacrilonitrila, semi-empírico, gap.
INTRODUÇÃO: Sem duvida a utilização de polímeros com a capacidade de produzir movimento por acionamento elétrico sejam os materiais mais esperados pelos centros de pesquisa em robótica e indústrias do ramo. Esses materiais possuem grandes vantagens em relação aos motores convencionais, pelo baixo peso, não emissão de ruídos e grande força de tração. Dentre os vários polímeros estudados, a poliacrilonitrila desperta interesse pela sua fácil síntese e excelentes resultados de resistência mecânica e variação volumétrica por estímulos químicos e elétricos. Além disso, apresenta uma interessante e complexa estrutura molecular (SCHREYER et al., 2000).
A simulação de sistemas estruturais complexos em conjuntos com as varias técnicas experimentais é uma grande aliada dos pesquisadores, que de modo bastante dinâmico e objetivo podem prever o resultado de uma modificação estrutural a ser realizada na prática.
A aplicação da modelagem computacional ao estudo de polímeros condutores, tendo como exemplo aos precursores de músculos artificiais, possibilita uma melhor investigação dos mecanismos de transporte de carga dentro da matriz polimérica, fato pouco compreendido atualmente.
MATERIAL E MÉTODOS: O programa utilizado nas modelagens realizadas foi o HyperChem 7.5 elavation, programa de fácil manipulação e rápido processamento. O método escolhido para a realização das simulações foi o semi-empírico (PM3).
O estudo das etapas de modificação química da poliacrilonitrila consistiu de um material cristalino de coloração branca e que expõem uma grande resistência mecânica. O primeiro modelo simulado possuía oito unidades monoméricas do citado polímero. O segundo modelo consistiu na estrutura do produto da primeira etapa de processamento (tratamento térmico) das fibras poliméricas. Esta etapa que promove o aumento da conjugação interna da estrutura do material. O terceiro modelo foi montado com base na etapa de tratamento alcalino, que converteu os grupos CN ainda presentes na estrutura da PAN em grupos COO-. A Figura 1 mostra os modelos utilizados.
Em seguida o terceiro modelo foi reavaliado sob o processo de adição (redução) e retirada (oxidação) de elétrons de sua estrutura molecular, ação condicionada por um agente dopante presente a matriz polimérica em um sistema real pela aplicação de um campo elétrico.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Para uma melhor compreensão dos resultados dos valores das diferenças energéticas entre a banda de condução e valência de cada modelo, estes serão comparados com os valores característicos de alguns materiais semicondutores conhecidos, Ge e GeAs. A Tab. 1 e 2 apresenta, respectivamente, os valores desses materiais semicondutores e dos modelos simulados. Nas Figuras 2 e 3 foram apresentam de modo comparativo os valores apresentados nas Tab. 1 e 2..
No tratamento térmico há a formação de ciclos e ligações cruzada, promovendo o aumento de elétrons π capazes de se movimentarem sobre a estrutura da fibra (BRENDAS et al., 1985). Esse efeito provoca uma significativa alteração no valor da banda gap em comparação a PAN não-tratada. A etapa de tratamento alcalino provoca a formação de COO- em vários pontos da estrutura polimérica, sendo possíveis agentes acumuladores e doadores de elétrons aos agentes dopantes.
A análise da ação do agente dopante sobre a matriz polimérica foi observada pelos valores das bandas gap obtidas, visto que o dopante tem como propriedade condicionar o abaixamento do desnível energético entre a banda de condução e valência, fato observado na Tab. 2.
CONCLUSÕES: O presente trabalho utilizou de técnicas computacionais para cálculos do desnível energético entre as bandas de valência e condução de um polímero. Com base nos valores obtidos foi possível analisar a ação de um agente dopante na matriz polimérica, fato verificado pela grande diminuição energética (banda gap) nos modelos carregados eletricamente com carga -1, -2 , +1 e +2. Ou seja, processo de oxidação e redução é facilitado pelo agente dopante quando o material é submetido a aplicação de um campo elétrico (BRENDAS et al., 1985).
AGRADECIMENTOS:
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA:Bredas, J. L.; Street. G. B. Polarons, Bipolarons, and Solitions in Conducting Polymer. American Chemical Society, July 1985. p. 309-315.
Schreyer, H. B.; Gebhart, N; Kim, K. J.; Shahinpoor, M. Electrical Activation of Artificial Muescles Containing Polyacrylonitrile Gel Filbers; Biomacromolecules, Vol. 1, N° 4, p. 642-647, 2000.