ÁREA: Iniciação Científica
TÍTULO: SÍNTESE, CARACTERIZAÇÃO E ESTUDOS DE POLÍMEROS CONDUTORES, VISANDO A PREPARAÇÃO DE DISPOSITIVOS ÓPTICOS.
AUTORES: Deus Nascimento, N. (IQUFU) ; Siqueira Prado, F. (IQUFU) ; Oliveira Cruz, W. (IQUFU) ; Marletta, A. (INFISUFU) ; Aparecido Andrade, A. (INFISUFU) ; Pilla, V. (INFISUFU)
RESUMO: No trabalho do grupo foram preparados filmes de poliestireno sulfonado (PSS)
dopados com Nd3+. Os materiais estudados foram preparados utilizando-se o PSS e
o íon Neodímio (Nd3+). A rota utilizada para preparação dos filmes foi simples e
economicamente viável e realizou-se, também, a caracterização química e o estudo
fotofísico dos filmes obtidos (1).
Nesse trabalho apresenta-se os resultados da otimização do processo de
preparação dos filmes, identificando-se as melhores condições experimentais a
serem utilizadas na síntese dos polímeros dopados. Realizaram-se, também, as
medidas de eficiência quântica. Os dados espectroscópicos obtidos apresentaram-
se semelhantes aos da literatura.
PALAVRAS CHAVES: Poliestireno Sulfonado; Íons de Neodímio; Propriedades Ópticas
INTRODUÇÃO: Os polímeros dopados são geralmente chamados de “metais sintéticos” por
possuírem propriedades elétricas, magnéticas e ópticas de metais e
semicondutores. Para que ocorra um fluxo de elétrons é necessária à adição de
agentes de transferência de carga, que convertem o polímero de isolante em
condutor ou semicondutor.Esses agentes são os “dopantes”, a condutividade só é
alcançada quando a inserção destes é efetuada. (2) A partir da dopagem, vários
produtos tecnológicos são obtidos. No caso dos elementos terras-raras suas
aplicações abrangem desde a produção de componentes ópticos, vidros, lâmpadas
fluorescentes até equipamentos de energia nuclear.(3,4) Dentre os íons terras-
raras, o Nd3+ embora não tenha sido o primeiro a emitir luz em um sólido, é o
que mais se destaca por ser o maior ativador de laser. Nestes estudos, o grande
interesse por este íon se revela pelo fato deste elemento possuir uma
configuração eletrônica envolvendo o nível 4f com transições de alta eficiência
quântica e emissão de luz aproximadamente em 1060 nm. Uma das vantagens da
utilização de polímeros como matriz hospedeira é apresentar um gap de energia
deslocado para a região do ultravioleta, permitindo a observação de níveis de
energia dos íons em uma região antes não acessível aos materiais à base de
sílica.O principal objetivo do trabalho foi realizar a otimização da síntese
destes polímeros, sua caracterização via ultravioleta e realização das medidas
de eficiência quântica. Foi utilizada a técnica de Lente Térmica (LT) (5) para
determinar as propriedades térmicas e óticas do filme Nd-PSS.O efeito de LT é
causado pela deposição de calor por um processo de decaimento não-radiativo,
após a luz do laser ter sido absorvida pela amostra. Um modelo teórico é usado
para ajustar os dados experimentais.
MATERIAL E MÉTODOS: O procedimento experimental utilizado para a síntese dos filmes de poliestireno
sulfonado dopados com Nd3+ é a simples troca do íon sódio do Na-PSS (comercial)
por íons H+. Utilizou-se para isso uma resina de troca iônica Amberlite IR-120.
A solução de poliestireno sulfonado na forma sódica (Na-PSS) foi percolada pela
resina e a captação do PSS-H iniciou quando o quando o pH da solução atingiu o
valor um e foi mantida até que seu valor aumentasse para três. Em seguida em um
recipiente de fundo plano, adicionou-se lentamente 1,50 mL de uma solução de
PSS-H (0,15 mol/L) em 0,25 mL de uma solução aquosa de cloreto de neodímio (0,40
mol/L). A mistura foi mantida sob agitação por 5 minutos, à temperatura ambiente
e sob atmosfera inerte (N2). Após essa etapa, manteve-se a mistura racional em
repouso por um intervalo de 12 horas a aproximadamente 5 oC. Em seguida,
descartou-se o sobrenadante e secou-se o gel (fase sólida) em dessecador à
pressão reduzida por alguns dias. Uma amostra de polímero foi irradiada por um
laser, construído no laboratório de propriedades ópticas e térmicas de materiais
do Instituto de Física da nossa Universidade e a eficiência quântica foi
calculada. Os espectros de absorção no UV-Vis foram realizados utilizando-se um
Espectrofotômetro Hach 4000 U.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: A metodologia de preparo dos filmes foi feita inúmeras vezes, alterando as
concentrações de NdCl3, verificando todos os passos efetuados necessários para
a síntese dos filmes.As concentrações utilizadas de NdCl3 foram 0,3 mol/L; 0,4
mol/L e 0,6 mol/L respectivamente. Além de variar o valor das concentrações das
soluções de NdCl3, variou-se também a escala de volumes, utilizando a proporção
de 1:6 para os volumes usados das soluções.Os espectros de ultravioleta dos
filmes apresentaram características esperadas e semelhantes aos espectros
obtidos pelo grupo de pesquisa anteriormente.O filme preparado com a
concentração 0,6 mol/L de NdCl3 foi medido pela técnica de lente térmica e dois
parâmetros foram obtidos.A partir deste ajuste, dois parâmetros são obtidos: a
diferença de fase e o tempo de resposta , onde we é a cintura do feixe de
excitação e D a difusividade térmica. A amplitude do sinal de Lt é proporcional
, onde Pe é a potência do laser de excitação, L é a espessura da amostra da
amostra, p o comprimento de onda do feixe de prova, ds/dT a variação do caminho
ótico com a temperatura, A o coeficiente de absorção e é a fração de energia do
feixe de excitação que é absorção e convertida em calor, onde é a eficiência
quântica de fluorescência, o comprimento de onda média da emissão ex o
comprimento de onda de excitação. As medidas de LT foram realizadas diferentes
comprimentos de onda(6). Como , temos que C = (pK)-1ds/dT é uma constante que
depende somente das características da amostra e do feixe de prova. Portanto,
uma vez que , C e em não depende da excitação o espectro de (ex) fornece a
constante C e . Com o valor de C = 266.9 e , determinamos = 13% e usando o
valor de tc obtidos dos dados experimentais encontramos D = 1,1 x 10-3 cm2/s.
CONCLUSÕES: Foram estudadas as condições de síntese do polímero dopado com o intuito da sua
otimização.Isso possibilitou a preparação de filmes de Nd-PSS, com características
esperadas e requeridas para demonstrar boas propriedades óticas.Utilizando-se a
técnica de LT foi possível obter a eficiência quântica dos filmes( = 13%), valor
este não elevado, mas ainda animador para a sequência dos trabalhos.Esta rota
poderá ser utilizada no preparo de filmes empregando-se o poliestireno sulfonado,
como matriz, e qualquer outro cloreto de terra-rara, já que estes íons possuem
propriedades químicas semelhantes.
AGRADECIMENTOS: Agradecemos à FAPEMIG, CNPq, PROPP, INSTITUTO DE QUÍMICA e ao INSTITUTO DE FÍSICA,
pela ajuda e colaboração.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: (1). CRISTOVAN, F. H. ; NASCIMENTO, C ; BELL, M ; LAURETO, E ; DUARTE, J ; DIAS, I ; CRUZ, W. O. ; MARLETTA, A . Synthesis and optical characterization of poly(styrene sulfonate) films doped with Nd(III). Chemical Physics (Print), v. 326, n. xx, p. 514-520, 2006.
(2). ZOPPI, R.A. e DE PAOLI, M.-A. Aplicações tecnológicas de polímeros condutores: perspectivas atuais. Química Nova, v.16, n.6, p. 560-569, 1993.
(3). RONDA, C.R.; JUSTEL, T.; NIKOL, H. Angew. Chemie Intern., 22, 3085, 1998.
(4). LESKELÃ, M. J. Alloys Compd., 277, 702, 1998.
(5). BAESSO, M.L., et al., Absolute thermal lens method to determine fluorescence quantum efficiency and concentration quenching of solids. Physical Review B, 1998. 57(17): p. 10545-10549.
(6). LIMA, S.M., et al., Multiwavelength thermal lens determination of fluorescence quantum efficiency of solids: Application to Nd3+-doped fluoride glass. Applied Physics Letters, 2001. 78(21): p. 3220-3222.
