ELOIZA DA SILVA NUNES Preparação e caracterização de nanocompósitos de Fe@SiO2, Fe@Fe3O4 e Fe3O4@PNIPAM Tese apresentada ao Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Química Orientador. Prof. Dr. Miguel Jafelicci Júnior Araraquara 2015 FICHA CATALOGRÁFICA Nunes, Eloiza da Silva N972p Preparação e caracterização de nanocompósitos de Fe@SiO2, Fe@Fe3O4 e Fe3O4@PNIPAM / Eloiza da Silva Nunes. – Araraquara : [s.n], 2015 152 f. : il. Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Instituto de Química Orientador: Miguel Jafelicci Júnior 1. Nanoestruturas. 2. Magnetita. 3. Sílica. 4. Nanogéis. 5. Nanopartículas. I. Título. Elaboração: Diretoria Técnica de Biblioteca e Documentação do Instituto de Química de Araraquara Seção Técnica de Aquisição e Tratamento da Informação I Dados pessoais Nome Eloiza da Silva Nunes Endereço profissional Instituto Federal Goiano - Campus Rio Verde Rod. Sul Goiana Km 01 Zona Rural - Rio Verde 75901970, GO - Brasil Telefone: 64 36205631 Endereço eletrônico E-mail para contato : eloiza_nunes@hotmail.com e-mail alternativo : eloizasnunes@gmail.com Formação acadêmica/titulação 2010 Doutorado em Química. Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, UNESP, São Paulo, Brasil Título: Preparação e caracterização de nanoestruturas caroço@casca de Fe@SiO2 e Fe@Fe3O4 e obtenção de nanocompósitos poliméricos à base de poli(N-isopropilacrilamida) Orientador: Miguel Jafelicci Júnior Bolsista do(a): Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico 2008 - 2010 Mestrado em Química. Universidade Federal de Goiás, UFG, Goiânia, Brasil Título: Citrato de ródio(II): síntese, caracterização, adsorção em nanopartículas de maghemita e preparação de fluidos magnéticos, Ano de obtenção: 2010 Orientador: Aparecido Ribeiro de Souza Bolsista do(a): Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico 2004 - 2007 Graduação em Química. Universidade Federal de Goiás, UFG, Goiânia, Brasil Título: Preparação de Fluidos Magnéticos Biocompatíveis Orientador: Emília Celma de Oliveira Lima Bolsista do(a): Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Formação complementar 2012 - 2012 Curso de curta duração em IV Curso teórico-prático de MET. Laboratório Nacional de Nanotecnologia, LNNANO, Brasil 2012 - 2012 Curso de curta duração em Introdução à técnica de GPC. Flowscience, FLOWSCIENCE, Brasil 2010 - 2010 Curso de curta duração em Escola de Nanomagnetismo. Centro Brasil Argentina de Nanotecnologia, CBAN, Brasil 2010 - 2010 Curso de curta duração em II Escuela de materiales nanoestructurados. Centro Brasil Argentina de Nanotecnologia, CBAN, Brasil 2009 - 2009 Curso de curta duração em Análise térmica aplicada a fármacos e medicamentos. Associação Brasileira de Análise Térmica e Calorimetria, ABRATEC, Alfenas, Brasil 2009 - 2009 Curso de curta duração em Escola de revestimentos nanoestruturados. Centro Brasil Argentina de Nanotecnologia, CBAN, Brasil 2005 - 2005 Curso de curta duração em Química e Toxicologia de Pesticidas. Universidade Federal de Mato Grosso, UFMT, Cuiabá, Brasil II 2005 - 2005 Curso de curta duração em Dissipação de Agrotóxicos no Meio Ambiente. Universidade Federal de Mato Grosso, UFMT, Cuiabá, Brasil 2004 - 2004 Curso de curta duração em Fundamentos e Algumas Aplicações de Análise Térmica. Universidade Federal de Goiás, UFG, Goiânia, Brasil 2004 - 2004 Curso de curta duração em Jogos didáticos no ensino de química. Universidade Federal de Goiás, UFG, Goiânia, Brasil Atuação profissional 1. Instituto Federal Goiano - IF Goiano - Campus Rio Verde Vínculo institucional 2014 - Atual Vínculo: Servidor público , Enquadramento funcional: Professor , Carga horária: 40, Regime: Dedicação exclusiva Atividades 08/2014 - Atual Ensino: Graduação, Química Disciplinas ministradas: Química Ambiental 08/2014 - Atual Ensino: Graduação, Engenharia de Alimentos Disciplinas ministradas: Química Geral e Analítica 08/2014 - Atual Ensino: Graduação, Agronomia Disciplinas ministradas: Tecnologia de produção de açúcar e álcool Produção bibliográfica Artigos completos aceitos para publicação em periódicos 1. BARUD, H. S.; TERJAK, A.; GUTIERRES, J.; VIALI, W. R.; NUNES, E. S.; RIBEIRO, S. J. L.; JAFELLICI JR, M.; NALIN, M.; MARQUES, R. F. C. Biocellulose-based flexible magnetic paper. Journal of Applied Physics., maio 2015. (Aceito). Artigos completos publicados em periódicos 1. NUNES, E. S.; VIALI, W. R.; SILVA, S. W.; COAQUIRA, J. A. H.; GARG, V. K.; OLIVEIRA, A. C.; MORAIS, P. C.; JAFELICCI JR., M. Characterization of tetraethylene glycol passivated iron nanoparticles. Applied Surface Science, v. 315, p. 337-345, 2014. 2. NUNES, E. S.; LIMA, E. C. D.; SOLER, M. A. G.; SILVA, F. R. L.; AZEVEDO, R. B.; MORAIS, P. C. Evidence of iron (III) reduction in γ-Fe2O3 nanoparticles due to meso-2,3-dimercaptosuccinic acid functionalization. Materials Research Express, v. 1, p. 016107/1-016107/9, 2014. 3. VIALI, W. R.; NUNES, E. S; SANTOS, C. C.; SILVA, S. W.; ARAGÓN, F. H.; COAQUIRA, J. A. H.; MORAIS, P. C.; JAFELICCI JR, M. PEGylation of SPIONs by polycondensation reactions: a new strategy to improve colloidal stability in biological media. Journal of Nanoparticle Research. , v.15, p.1824/1-1824/14, 2013. 4. NUNES, E. S.; CARNEIRO, M. L. B.; OLIVEIRA, R. G. S.; BÁO, S. N.; SOUZA, A. R. Colloidal stability, surface characterisation and intracellular accumulation of rhodium(II) citrate coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles in breast tumour: a promising platform for cancer therapy. Journal of Nanoparticle Research. , v.15, p.1683/1 - 1683/15, 2013. 5. CARNEIRO, M. L. B; NUNES, E. S, PEIXOTO, R. C. A.; OLIVEIRA, R. G. S; LOURENÇO, L. H. M; SILVA, I. C. R.; SIMIONI, A. R.; TEDESCO, A. C.; SOUZA, A. R.; LACAVA, Z. G. M.; BÁO, S. N. Free rhodium(II) citrate and rhodium(II) citrate magnetic carriers as potential strategies for breast cancer III therapy. Journal of Nanobiotechnology. , v.9, p.11, 2011. 6. SOLER, M. A. G.; LIMA, E. C. D.; NUNES, E. S.; SILVA, F. L. R.; OLIVEIRA, A. C.; AZEVEDO, R. B.; MORAIS, P. C. Spectroscopic Study of Maghemite Nanoparticles Surface-Grafted with DMSA. The Journal of Physical Chemistry. A., v.115, p.1003-1008, 2011. 7. VALOIS, C. R. A.; BRAZ, J. M.; NUNES, E. S.; VINOLO, M. A. R.; LIMA, E. C. D.; CURI, R.; KUEBLER, W. M.; AZEVEDO, R. B. The effect of DMSA-functionalized magnetic nanoparticles on transendothelial migration of monocytes in the murine lung via a ?2 integrin-dependent pathway. Biomaterials. , v.31, p.366-374, 2010. 8. VALOIS, C. R.A, NUNES, E. S., JAEGER, R. G., LIMA, E. D. C., MORAIS, P. C., AZEVEDO, R. B. Expression Patterns of Cell Adhesion Molecules in Mice's Lung After Administration of Meso-2,3- Dimercaptosuccinic Acid-Coated Maghemite Nanoparticles. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. , v.9, p.2846-2855, 2009. 9. FRANCO, A., ALVES, T. E., LIMA, E.C., NUNES, E. S., ZAPF, V. Enhanced magnetization of nanoparticles of MgxFe(3−x)O4 (0.5≤x≤1.5) synthesized by combustion reaction. Applied Physics. A, Materials Science & Processing., p.1, 2008. Trabalhos publicados em anais de eventos (resumo) 1. SALGADO, M. S., BARUD, H., TERCJAK, A., GUTIERREZ, J., VIALI, W. R., NUNES, E. S., RIBEIRO, S. J. L., JAFELICCI JR., M., NALIN, M., MARQUES, R. F. C. Biocellulose-based Flexible Magnetic Paper In: 59th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, 2014, Honolulu. 59th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials., 2014. 2. PIAZZA, R. D., NUNES, E. S., MARQUES, R. F. C., JAFELICCI JR., M. Magnetic hydrogels �- Fe2O3@dextran for drug delivery In: XIII Encontro da SBPMat, 2014, João Pessoa - PB. XIII Encontro da SBPMat., 2014. 3. SANTOS, C. C., ASSIS, D. R., VIALI, W. R., NUNES, E. S., MOREIRA, T. A., NASCIMENTO, F. J., RIBATSKI, G., JAFELICCI JR., M. One-pot synthesis copper sulfide based nanofluids for heat transfer applications In: XIII Encontro da SBPMat, 2014, João Pessoa - PB. XIII Encontro da SBPMat. , 2014. 4. ASSIS, D. R.; NUNES, E. S.; JAFELICCI JR., M. Photopolymerization of maleic acid in a superparamagnetic iron oxide nanoparticles (spions) surfaces In: XIII Encontro da SBPMat, 2014, João Pessoa - PB. XIII Encontro da SBPMat., 2014. 5. PIAZZA, R. D.; NUNES, E. S.; JAFELICCI JR, M. Polimerização de hidrogéis magnéticos �- Fe2O3@Dextrana via miniemulsão inversa In: 37a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, 2014, Natal-RN. 37a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química. , 2014. 6. Nunes, E. S.; CHACON, J. R. V.; JAFELICCI JR., M. The role of peg grafting on the thermoresponsive behavior of poly(n-isopropylacrylamide)-based magnetic nanogels In: XIII Encontro da SBPMat, 2014, João Pessoa - PB. XIII Encontro da SBPMat. , 2014. 7. JAFELICCI JR, M.; NUNES, E. S. Flower-like nanostructures of Fe0/Fe3O4 In: XII Encontro da SBPMat, 2013, Campos do Jordão. XII Encontro da SBPMat., 2013. 8. PIAZZA, R. D.; JAFELICCI JR, M.; NUNES, E. S. Iron oxide nanoparticles functionalized with PAA- co-Dextran using inverse miniemulsion In: XII Encontro da SBPMat, 2013, Campos do Jordão. XII Encontro da SBPMat., 2013. 9. NUNES, E. S.; SOUZA, A. R. Caracterização de SPION funcionalizadas com citrato de ródio (II) In: 33a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, 2010, Águas de Lindóia. Livro de Resumos da 33a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química., 2010. 10. NUNES, E. S.; SOUZA, A. R.; CARNEIRO, M. L. B.; PEIXOTO, R. C. A.; LACAVA, Z. G. M.; BAO, IV S. N.; MORAIS, P. C. Colloid preparation of maghemite nanoparticles functionalized with dirhodium(II) citrate In: 8th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, 2010, Rostock. Anais 8th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers., 2010. 11. CARNEIRO, M. L. B.; NUNES, E. S.; OLIVEIRA, R. G. S.; PEIXOTO, R. C. A.; LOURENCO, L. H. M.; SILVA, I. C. R.; SIMIONI, A. R.; TEDESCO, A. C.; SOUZA, A. R.; LACAVA, Z. G. M.; BAO, S. N. Cytotoxicity effect of dirhodium(II) citrate-loaded magnetic nanoparticles and magnetoliposomes in breast cancer and normal breast cells In: 8th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, 2010, Rostock. Anais 8th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers., 2010. 12. OSHTRAKH, M. I.; RODRIGUEZ, A. F. R.; USHAKOV, M. V.; SANTOS, J. G.; SEMIONKIN, V. A.; SILVEIRA, L. B.; MARMOLEJO, E. M.; NUNES, E. S.; LIMA, E. C. D.; SOUZA-PARISE, M.; MORAIS, P. C. Effect of surface coating on magnetic hyperfine fields in nanosized iron oxides for magnetic fluid preparation: study using Mösbauer spectroscopy In: Fourth Seeheim Conference on Magnetism, 2010, Frankfurt. Fourth Seeheim Conference on Magnetism. , 2010. 13. SOUZA, L. B.; LIMA, E. C. O.; DAMASCENO, F. C.; NUNES, E. S.; BARROS, O. S. R. Funcionalização de nanopartículas de �-Fe2O3 com DMSA: variação no teor de SH disponível em função da relação molar [DMSA]/[Fe] In: 33a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, 2010, Águas de Lindóia. Livro de Resumos da 33a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química., 2010. 14. VIALI, W. R.; COUTO, G. G.; JAFELICCI JR.; M.; NUNES, E. S. Síntese de nanopartículas caroço@casca de Co@Pd por decomposição térmica In: 33a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, 2010, Águas de Lindóia. Livro de Resumos da 33a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química., 2010. 15. NUNES, E. S.; LIMA, E. C. O. Estudo da funcionalização de nanopartículas de gamma-Fe2O3 com DMSA In: 31a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, 2008, Águas de Lindóia. Livro de Resumos da 31a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química., 2008. 16. NUNES, E. S.; LIMA, E. D. C.; BAKUZIS, A. F., SANTOS JR, J. L. Dynamic magnetic birefringence of citrate-coated maguemite-based colloid In: XXX Encontro Nacional de Física da Matéria Condensada, 2007, São Lourenço MG. XXX Encontro Nacional de Física da Matéria Condensada. , 2007. 17. NUNES, E. S.; LIMA, E. C. O.; FERNANDES, E. S.; MARTINS, A. O.; RANGEL, M. C. Materials Based on Iron Oxide as Cu(II) Adsorbent In: VI Encontro SBPMat, 2007, Natal. Anais do VI Encontro SBPMat., 2007. 18. NUNES, E. S.; LIMA, E. C. O. Reaction on the interface gamma-Fe2O3 nanoparticles/aqueous Dimercaptosuccinic Acid In: VI Encontro SBPMAt, 2007, Natal. Anais do VI Encontro SBPMAt., 2007. Patentes e registros 1. BAO, S. N., LACAVA, Z. G. M., MORAIS, P. C., CARNEIRO, M. L. B., TEDESCO, A. C, SIMIONI, A. R., SOUZA, A. R., NUNES, E. S. Composições Antitumorais a Base de Ródio (II) e Fluidos Magnéticos, Composto Antitumoral, seu Processo de Obtenção e suas Aplicações na Preparação de Medicamentos para o Tratamento de Neoplasias, 2011. Categoria: Outra. Instituição onde foi depositada: INPI - Instituto Nacional da Propriedade Industrial. País: Brasil. Natureza: Patente de Invenção. Número do registro: PI11007338. Data de depósito: 11/01/2011. V Dedico este ao meu noivo Wesley VI Agradecimentos A meu orientador Prof. Dr. Miguel Jafelicci Júnior pela sua orientação e acolhida em seu grupo de pesquisa e pela confiança no meu trabalho e valiosa amizade. Ao meu noivo Wesley por toda a dedicação, carinho, incentivo, compreensão e por toda a ajuda durante esses anos. Aos colegas do Laboratório de Materiais Magnéticos e Coloides Rodolfo, Rafael, Douglas, Caio, Jaime e Taciane, pelas valiosas discussões, trocas de ideias, ajudas e sugestões, convívio e principalmente pela grande amizade. Ao Laboratório de Microscopia Eletrônica LME/LNNano/CNPEM pela formação em microscopia eletrônica e pelas análises de microscopia eletrônica de transmissão e de varredura realizadas. Aos professores Paulo César Morais, Sebastião William da Silva, José Antônio H. Coaquira, Vijayendra K. Garg e Aderbal Carlos de Oliveira do Núcleo de Física Aplicada do Instituto de Física da Universidade de Brasília pela colaboração e realização de medidas de Mössbauer e de magnetização. Ao Laboratório de Espectroscopia de Fotoelétrons pela realização de medidas de XPS e ao Prof. Peter Hammer pelo auxílio no tratamento dos resultados obtidos. Aos professores do IQ-UNESP pelo grande aprendizado e amizade. Aos técnicos do IQ-UNESP pelo seu excelente trabalho e amizade. Ao Instituto de Química da UNESP-Araraquara por toda infraestrutura que possibilitou o desenvolvimento desse trabalho. Às agências de fomento CNPq e FAPESP pela bolsa e suporte financeiro indispensável à realização deste trabalho. VII RESUMO Neste trabalho foi investigada a obtenção de nanopartículas de ferro metálico em diferentes meios não aquosos (glicóis) e em água através da rota de redução com boroidreto e a obtenção de estruturas caroço@casca Fe@SiO2 e Fe@Fe3O4. Também são apresentados resultados da caracterização de nanocompósitos magnéticos à base poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) e de nanogéis poliméricos (controles) através do método de polimerização radicalar por precipitação. A composição dos nanocompósitos poliméricos foi variada quanto ao tipo de co- monômero (ácido acrílico e poli(etileno glicol) metiléter metacrilato (PEGMA)), reticulador (metileno bis-acrilamida (MBA) e poli(etileno glicol) diacrilato (PEGDA)) e nanopartícula magnética precursora. As nanopartículas metálicas e nanoestruturas Fe@SiO2 e Fe@Fe3O4 foram caracterizadas por DRX, espectroscopia Mössbauer, XPS, SEM e TEM. Os resultados obtidos demostraram que as nanopartículas de ferro metálico foram compostas de α-Fe e variáveis teores de liga de Fe1-xBx e a morfologia e tamanho de partícula variaram em função dos diferentes meios reacionais empregados. As metodologias de recobrimento das partículas metálicas precursoras foram eficazes na estabilização química do caroço magnético. O recobrimento com sílica para obtenção das estruturas Fe@SiO2 foi realizado empregando-se precursores alcoxissilanos através do processo sol-gel. A espessura da camada de sílica pode ser controlada mais eficientemente no caso de partículas maiores oriundas de redução no meio aquoso e no caso de nanopartículas pequenas observou-se a formação de agregados. As estruturas Fe@Fe3O4 foram obtidas pela passivação das nanopartículas metálicas em solvente glicol. A metodologia de passivação demostrou a possiblidade de oxidação controlada da superfície para fase de magnetita evitando a formação de óxi-hidróxidos não magnéticos. A proporção de fases metálica e de óxido pode ser determinada pelo refinamento de Rietveld e variou com o tipo de glicol utilizado, tempo de aquecimento, temperatura e tipo de agente de superfície (PEG ou PVP). As estruturas Fe@SiO2 e Fe@Fe3O4, permaneceram estáveis à oxidação ao ar e preservaram seu magnetismo. A formação do PNIPAM e a composição química dos nanocompósitos e nanogéis poliméricos controles foram evidenciadas por espectroscopias 1H-RMN e DRIFT. Através de análises de TG determinou-se a proporção de óxido e de polímero nos nanocompósitos e a morfologia das partículas foi estudada por SEM e HAADF-STEM. Através de medidas de DLS a transição de fase de volume dos nanogéis (VPTT) contendo PNIPAM foi determinada. Observou- se que a inclusão de ácido acrílico e de PEG na rede polimérica influência no tamanho e morfologia de partícula. A inclusão de PEG na composição das nanogéis provocou o aumento da VPTT de 33 °C para 42 °C, o que torna os nanocompósitos obtidos potenciais candidatos para aplicações biomédicas. Palavras-chaves: nanopartículas magnéticas metálicas, nanoestruturas, caroço@casca, passivação, glicol, magnetita, sílica, nanogel, polimerização por radical livre, polímero termossensível, PNIPAM. VIII ABSTRACT In this work the obtainment of metallic iron nanoparticles in several non-aqueous (glycols) and in aqueous media through chemical reduction with sodium borohydride and the obtainment of core@shell structures Fe@SiO2 and Fe@Fe3O4, was investigated. The characterization results of poly(N-isoproprylacrylamide) (PNIPAM) based magnetic nanocomposites and bare polymeric nanogels (controls) synthesized through radical precipitation polymerization were also presented. The composition of the polymeric nanocomposites was varied as the type of co-monomer (acrylic acid and poly(ethyleneglycol) methylether methacrylate (PEGMA)), crosslinker (methylene bis-acrylamide (MBA) and poly(ethyleneglycol) diacrylate (PEGDA)) and precursor magnetic nanoparticle. The metallic nanoparticles and the core@shell Fe@SiO2 and Fe@Fe3O4 nanostructures were characterized by XRD, Mössbauer spectroscopy, XPS, SEM and TEM. The results show that the iron nanoparticles were composed of α-Fe and varying amounts of Fe1-xBx alloy and the size and morphology of the particles was dependent of the reaction media used. The strategies for metallic nanoparticles coating was efficient and chemically stabilized the magnetic cores. The Fe@SiO2 nanostructures was prepared by using alkoxysilanes precursors through the sol-gel process to produce the silica coating. The silica thickness could be controlled more efficiently in the case of bigger particles produced from chemical reduction in aqueous media. In the case of small nanoparticles the formation of aggregates was observed. The Fe@Fe3O4 core@shell structures were obtained by passivation of the metallic iron nanoparticles in a glycol solvent. The method of passivation enabled good oxidation control of the metallic surface to magnetite phase, avoiding the formation of non-magnetic oxy-hydroxides. The metallic to oxide phase ratio was determined by Rietveld refinement and was dependent of the type of glycol used, heating rate, final temperature and the type of surface agent (PEG or PVP). The Fe@SiO2 and Fe@Fe3O4 structures remained stables against to air oxidation and retained their magnetism. The formation of PNIPAM and the chemical composition of the nanocomposites and controls polymeric nanogels were evidenced by 1H-NMR and DRIFT spectroscopy. Through TG analysis the oxide to polymer ratio in the nanocomposites was determined. The particle morphology was accessed by SEM and HAADF-STEM analysis. The results showed that the incorporation of acrylic acid and PEG on the polymeric network influences the size and morphology of the particles. The volume phase transition (VPTT) of the composites and controls nanogels was determined by DLS measurements. The incorporation of PEG in the nanogels increased the VPTT from 33 °C to 42 °C, and renders the obtained nanocomposites as potential candidates for biomedical applications. Keywords: metallic magnetic nanoparticles, nanostructures, core@shell, passivation, glycol, magnetite, silica, nanogel, free radical precipitation polymerization, thermosensitive polymer, PNIPAM. IX LISTA DE FIGURAS Figura 1. Evolução da fração de átomos de superfície em função do volume para cluster cúbico com n variando até 100 átomos (N = 106). As estruturas mostram o empacotamento dos primeiros quatro clusters (n =2, 3, 4 e 5). ........................................................................ 2 Figura 2. Evolução da separação de bandas e da densidade dos estados com a diminuição do número de átomos no sistema. ......................................................................................... 3 Figura 3. Curva de susceptibilidade magnética (M) versus campo aplicado (H), típica para materiais magnéticos nanoparticulados. ................................................................................ 5 Figura 4. Curva de susceptibilidade magnética (M) versus campo aplicado (H), típica para nanopartículas superparamagnéticas. ................................................................................... 5 Figura 5. Comportamento da coercividade de nanopartículas em função do tamanho. ......... 6 Figura 6. a) Estrutura caroço@casca de nanopartículas de ferro metálico e esquema de mecanismos para remoção de metais e compostos organoclorados. b) estrutura caroço@casca formada pela exposição das nanopartículas ao ar ....................................... 10 Figura 7. Esquemas das reações de hidrólise e condensação de alcoxissilanos em meio ácido e básico. ..................................................................................................................... 14 Figura 8. a) Estrutura química da poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAM). b) Representação esquemática da transição coil-to-globule de uma nanopartícula de PNIPAM. ...................... 18 Figura 9. Dispersões aquosas de nanopartículas de PNIPAM em temperaturas abaixo e acima da VPTT. ................................................................................................................... 19 Figura 10. Diferentes morfologias de nanocompósitos poliméricos contendo nanopartículas magnéticas. a) caroço@casca; b) múltiplos caroços ou embutida; c) tipo “amora” ou heterocoagulada; d) tipo “escova” (brush). ........................................................................... 20 Figura 11. Fórmulas estruturais dos reagentes orgânicos utilizados, agrupados por classes, listados na tabela 1. ............................................................................................................. 24 Figura 12. Fluxogramas relacionando as variáveis de síntese empregadas nas etapas de redução e recobrimento: a) primeira etapa, precipitação das nanopartículas de ferro metálico; b) segunda etapa, recobrimento com sílica ou c) segunda etapa, passivação. ..... 25 Figura 13. Representação esquemática das etapas de síntese e do aparato experimental utilizado na preparação de nanopartículas de ferro metálico e do recobrimento com sílica. 27 Figura 14. Representação esquemática das etapas de síntese de nanopartículas de ferro metálico e passivação. ......................................................................................................... 29 Figura 15. Fluxogramas relacionando as variáveis de síntese empregadas na obtenção de nanopartículas poliméricas e nanocompósitos: a) etapa 0, funcionalização das nanopartículas de magnetita e de ferro passivado; b) etapa 1, polimerização com NIPAM e co-monômeros c) etapa 2, enxertia com PEGDA. ................................................................ 31 Figura 16. Representação esquemática da etapa de funcionalização das nanopartículas magnéticas com MPTS. ....................................................................................................... 33 Figura 17. Representação esquemática das etapas de síntese empregadas na obtenção de nanopartículas e nanocompositos poliméricos. .................................................................... 34 Figura 18. Representação esquemática do crescimento do revestimento de sílica na superfície das nanopartículas de ferro metálico. .................................................................. 47 Figura 19. Difratogramas de raios X de amostras de ferro recobertas com sílica. Recobrimento realizado à: a) temperatura ambiente; b) temperatura de refluxo. ................. 48 Figura 20. Espectros de Mössbauer das amostras recobertas com sílica obtidos à 300 K (esquerda) e 77 K (direita). Espectros referentes as amostras: a-b) Fe10@SiO2-R; c-d) X Fe2@SiO2-R; e-f) Fe3@SiO2-R; g-h) Fe4-5h@SiO2-R. Os parâmetros hiperfinos são compilados na tabela 6. ....................................................................................................... 52 Figura 21. Curvas de DSC das amostras recobertas com sílica. ......................................... 56 Figura 22. Difratogramas de raios X das amostras recobertas com sílica após tratamento térmico a 500 °C. ................................................................................................................. 57 Figura 23. Imagens de TEM de campo claro das amostras de ferro recobertas com sílica. Amostras obtidas em EG: a) Fe2SiO2-A; b) Fe2SiO2-R; em TTEG: c) Fe3SiO2-A; d) Fe3SiO2-R; em água: e) Fe10SiO2-A; f) Fe10SiO2-R. Inserções nas figuras à direita são imagens do padrão SAED. .................................................................................................. 59 Figura 24. Imagens de SEM de elétrons secundários (esquerda) e elétrons retroespalhados (direita) das amostras recobertas com sílica recozidas a 70 °C. a-b) Fe35; c-d) Fe34; e-f) Fe33 .................................................................................................................................... 61 Figura 25. Imagens de SEM da partícula precursora usada na preparação da amostra Fe3@SiO2-R. a) partícula precursora como utilizada; b) partícula precursora após mais etapas de lavagem com etanol; c) imagem de alta magnificação da região selecionada em (b). ....... 63 Figura 26. Imagens de SEM da partícula precursora usada na preparação da amostra Fe4- 5h@SiO2-R. a) baixa magnificação; b) alta magnificação. c, d, e) Imagens de HR-TEM ........ 63 Figura 27. Imagens de SEM da partícula Fe4-5h-precursora obtidas em vários tempos reacionais. a) T=0h (após adição do redutor); b) após 1h; c) após 3h; d) após 5h Fe4-5h- precursora ........................................................................................................................... 64 Figura 28. Representação esquemática da formação de estruturas Fe@Fe3O4 durante a etapa de passivação. ........................................................................................................... 66 Figura 29. Difratogramas de raios X das amostras passivadas refinados pelo método de Rietveld. a) Fe10@Fe3O4-Fe(III)-1; b) Fe10@Fe3O4-Fe(II)-1; c) Fe11@Fe3O4-Fe(II)-2; d) Fe10@Fe3O4-2; e) Fe3O4-controle. ...................................................................................... 67 Figura 30. Imagens de SEM das amostras passivadas com e sem adição de precursor de ferro e imagem de TEM da amostra Fe3O4-controle. Os histogramas obtidos da distribuição de tamanhos de partículas são inseridos em cada imagem. ................................................ 70 Figura 31. Difratogramas de raios X das amostras passivadas variando-se a taxa de aquecimento e do tipo de partícula, refinados pelo método de Rietveld, a) Fe12@Fe3O4-2; b) Fe12@Fe3O4-3; c) Fe12@Fe3O4-4; d) Fe11@Fe3O4-4. ....................................................... 72 Figura 32. Imagens de FEG-SEM das amostras passivadas usando diferentes rampas de aquecimento. ....................................................................................................................... 74 Figura 33. Difratogramas de raios X refinados pelo método de Rietveld das amostras precipitadas na presença de PEG 4 kg·mol-1 (Fe11) e PVP 10 kg·mol-1 (Fe13) e passivadas variando-se o solvente. a) Fe11@Fe3O4-TTEG; b) Fe11@Fe3O4-TEG; c) Fe11@Fe3O4-DEG; d) Fe11@SiO2-R (precursora); e) Fe13@Fe3O4-TTEG; f) Fe13@Fe3O4-TEG; g) Fe13@Fe3O4-DEG; h) Fe13@ SiO2-R (precursora). ............................................................ 76 Figura 34. Difratogramas de raios X refinados pelo método de Rietveld das amostras precipitadas na presença de PEG 4 kg·mol-1 (Fe11) e PVP 10 kg·mol-1 (Fe13) após recozimento a 500 °C em atmosfera de Ar. ......................................................................... 77 Figura 35. Imagens de FEG-SEM da amostra Fe11-precursora (a) e após passivação nos solventes TTEG (b), TEG (c) e DEG (d). Inserções são histogramas de distribuição de tamanhos de partículas da imagem correspondente. ........................................................... 78 Figura 36. Imagens de FEG-SEM da amostra Fe13-precursora (a) e após passivação nos solventes TTEG (b), TEG (c) e DEG (d). Inserções são histogramas de distribuição de tamanhos de partículas da imagem correspondente. ........................................................... 79 XI Figura 37. Imagens de HR-TEM de campo claro das amostras Fe11-precursora (a; b) e após passivação nos solventes TTEG (c; d), TEG (e; f) e DEG (g; h). Inserções em (b), (d), (f), (h) são FFT e em (c) padrão SAED da imagem correspondente. .............................................. 81 Figura 38. Imagens de HR-TEM de campo claro das amostras Fe13@Fe3O4 após passivação nos solventes TTEG (a; b), TEG (c; d) e DEG (e; f). Inserções em (b), (d) e (f) são FFT da imagem correspondente. .................................................................................. 82 Figura 39. Difratogramas de raios X refinados pelo método de Rietveld das amostras precipitadas em TTEG (a) Fe3@Fe3O4-1, (b) Fe3@Fe3O4-4 e em TGL (c) Fe4-1h@Fe3O4-4 (d) Fe4-3h@Fe3O4-4, (e) Fe4-5h@Fe3O4-3-TTEG, todas passivadas em TTEG. ................ 86 Figura 40. Imagens de FEG-SEM das amostras sintetizadas em TTEG (a) Fe3@Fe3O4-1, (b) Fe3@Fe3O4-4 e em TGL (c) Fe4-1h@Fe3O4-4 (d) Fe4-3h@Fe3O4-4, (e) Fe4-5h@Fe3O4-3- TTEG, todas passivadas em TTEG. Inserções são histogramas de distribuição de tamanhos de partículas da imagem correspondente. ........................................................................... 88 Figura 41. Espectros Mössbauer das amostras Fe11-precursora e Fe11@Fe3O4-TTEG obtidos a 300 K e a 77 K. Pontos representam os dados experimentais e linhas o espectro calculado. Os sub-espectros correspondente das características hiperfinas observadas são indicados. ............................................................................................................................ 90 Figura 42. Espectros de XPS da amostra Fe@Fe3O4-3-TTEG. a) espectro geral; e espectros deconvoluídos de alta resolução: b) Fe2p; c) O1s; d) C1s. .................................................. 93 Figura 43. Representação esquemática das etapas de funcionalização de nanopartículas magnéticas com MPTS e de polimerização. ........................................................................ 96 Figura 44. 1H-RMN dos polímeros controles sintetizados em acetonitrila. a) PNIPAM5 e PNIPAM homopolímero; b) PNIPAM6; c) PNIPAM 8; d) PNIPAM5-co-PEG; e) PNIPAM6-g- PEG; f) PNIPAM8-g-PEG; g) estrutura genérica dos polímeros sintetizados e atribuição dos picos. ................................................................................................................................... 98 Figura 45. Espectros DRIFTS das amostras controles PNIPAM5, PNIPAM6 e PNIPAM8 antes (a) e após (b) enxertia com PEG. ............................................................................. 100 Figura 46. Imagens de Microscopia eletrônica de varredura e histogramas das amostras de nanopartículas poliméricas: a-b) PNIPAM5-controle; c-d) PNIPAM6-controle; e-f) PNIPAM8- controle .............................................................................................................................. 101 Figura 47. Imagens de microscopia eletrônica de varredura e histogramas das amostras de nanopartículas poliméricas: a) PNIPAM5-g-PEG; b) PNIPAM5-co-PEG c) PNIPAM6-g-PEG; d) PNIPAM8-g-PEG. .......................................................................................................... 103 Figura 48. Espectros DRIFTS das amostras de nanogéis contendo nanopartículas magnéticas MGT@PNIPAM5, MGT@PNIPAM6, MGT@PNIPAM8 e MGT@PNIPAM5-co- PEG e após enxertia com PEG MGT@PNIPAM5-g-PEG, MGT@PNIPAM6-g-PEG, MGT@PNIPAM8-g-PEG. ................................................................................................... 105 Figura 49. Imagens de microscopia eletrônica de varredura em modo STEM das amostras: a-c) MGT@PNIPAM5; e-f) MGT@PNIPAM6; g-i) MGT@PNIPAM8. Imagens à esquerda, centro e direita foram obtidas em modo de elétrons secundários, campo claro e HAADF, respectivamente. ............................................................................................................... 107 Figura 50. Imagens de microscopia eletrônica de varredura em modo STEM das amostras: a-c) MGT@PNIPAM5-g-PEG; e-f) MGT@PNIPAM6-g-PEG; g-i) MGT@PNIPAM8-g-PEG. Imagens à esquerda, centro e direita foram obtidas em modo de elétrons secundários, campo claro e HAADF, respectivamente. .......................................................................... 108 Figura 51. Imagens de microscopia eletrônica de varredura de elétrons secundários (esquerda) e de elétrons retroespalhados (direita) das amostras de nanopartículas XII magneticas recobertas com PNIPAM: a-b) Fe/MGT@PNIPAM5; c-d) Fe/MGT@PNIPAM6; e- f) Fe/MGT@PNIPAM8. ...................................................................................................... 109 Figura 52. Curvas de TG obtidas para as amostras contendo nanopartículas magnéticas: a) MGT@PNIPAM5, MGT@PNIPAM5-g-PEG e MGT@PNIPAM5-co-PEG; b) MGT@PNIPAM6 e MGT@PNIPAM6-g-PEG; c) MGT@PNIPAM8 e MGT@PNIPAM8-g-PEG. .................... 111 Figura 53. a) Diâmetro hidrodinâmico em função da concentração medidos a 25 °C e 37 °C para a amostra PNIPAM5-controle. ................................................................................... 113 Figura 54. Curvas de diâmetro hidrodinâmico versus temperatura para amostras nanogéis controles antes e após a enxertia com PEG: a) PNIPAM5-controle; b) PNIPAM5-g-PEG; c) PNIPAM5-co-PEG; d) PNIPAM6; e) PNIPAM6-g-PEG; f) PNIPAM8; g) PNIPAM8-g-PEG. 115 Figura 55. Curvas de diâmetro hidrodinâmico versus temperatura para amostras de nanogéis contendo nanopartículas magnéticas: a) MGT@PNIPAM5; b) MGT@PNIPAM5-g- PEG; c) MGT@PNIPAM5-co-PEG; d) MGT@PNIPAM6; e) MGT@PNIPAM6-g-PEG; f) MGT@PNIPAM8; g) MGT@PNIPAM8-g-PEG. .................................................................. 118 XIII LISTA DE TABELAS Tabela 1. Reagentes utilizados. .......................................................................................... 23 Tabela 2. Condições de síntese das amostras de ferro recobertas com sílica. .................... 27 Tabela 3. Condições reacionais das amostras de ferro passivadas. .................................... 30 Tabela 4. Condições reacionais empregadas na síntese de nanopartículas poliméricas controles e nanocompósitos magnéticos a base de poli(N-isopropilacrilamida). Volume de acetonitrila igual a 40 mL em todas as reações. .................................................................. 36 Tabela 5. Parâmetros obtidos a partir dos padrões de difração de raios X para as amostras recobertas com sílica. .......................................................................................................... 49 Tabela 6. Parâmetros hiperfinos dos espectros de Mössbauer das amostras Fe10@SiO2-R, Fe3@SiO2-R, Fe2@SiO2-R e Fe4-5h@SiO2-R. Os parâmetros listados são deslocamento isomérico (IS), desdobramento quadrupolar (QS) e campo magnético hiperfino (Hhf) .......... 53 Tabela 7. Frações molares de ferro e boro nas amostras recobertas com sílica submetidas a refluxo e estimativa da composição da liga. ......................................................................... 55 Tabela 8. Parâmetro de rede (a) e frações mássicas de fases magnetita e α-Fe em amostras passivadas na presença de precursor de ferro. ................................................................... 67 Tabela 9. Parâmetros de rede (a) e fração mássica entre fases magnetita e α-Fe. ............. 73 Tabela 10. Parâmetros de rede (a) e frações mássicas de fases magnetita e α-Fe obtidos pelo refinamento de Rietveld das amostras Fe11 e Fe13 passivadas em diferentes solventes. ............................................................................................................................ 76 Tabela 11. Teor de ferro no sobrenadante do meio de reação após remoção das nanopartículas passivadas. Os solventes utilizados foram TTEG, TEG e DEG. .................. 85 Tabela 12. Parâmetros de rede (a) e frações mássicas de fases magnetita e α-Fe obtidos pelo refinamento de Rietveld das amostras sintetizadas em TTEG (Fe3) e TGL (Fe4) após passivação em TTEG. ......................................................................................................... 87 Tabela 13. Parâmetros hiperfinos dos espectros Mössbauer: deslocamento isomérico, desdobramento de quadrupolo (QS), campo hiperfino (Hhf) e área espectral (A) obtidos para as amostras Fe11-precursora e Fe11@Fe3O4-TTEG. O erro estimado para os parâmetros hiperfinos é ±0,04 mm·s-1 e ±1 kOe. O erro das áreas espectrais está estimado ser menor que ±3%. ............................................................................................................................. 91 Tabela 14. Parâmetros da deconvolução dos espectros de XPS de C1s, O1s e Fe2p medidos para a amostra Fe11@Fe3O4-3-TTEG. .................................................................. 94 Tabela 15. Percentuais de perda de massa e fração mássica de polímero, obtidos por TG. .......................................................................................................................................... 112 Tabela 16. Valores de Dh médios obtidos das curvas apresentadas nas figuras 54 e 55, nas temperaturas de 25 °C e 45 °C, e da VPTT obtida a partir do ajuste das curvas Dh versus temperatura ao perfil de Boltzmann. .................................................................................. 116 XIV LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS AA Ácido acrílico acac Acetilacetonato AIBN 2,2'-Azobis(2-metilproprionitrila) APTES (3-Aminopropil)trietoxisilano DLS Espalhamento de luz dinâmico, do inglês “dynamic light scattering” DSC Calorimetria exploratória diferencial, do inglês “differential scanning calorimetry” DRX Difratometria de raios X DRIFTS Espetroscopia infravermelho por refletância difusa com transformada de Fourier do inglês “diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy” FFT Transformada de Fourrier do inglês “fast Fourier transform” HAADF Campo escuro anular de alto ângulo do inglês “high anular angular dark field” HRTEM Microscopia eletrônica de alta resolução do inglês “high resolution transmission electron microscopy” ICP-AES Espectroscopia de emissão atômica com plasma induzido kB Constante de Botzmann LCST temperatura inferior de transição de solução do inglês “lower critical solution temperature” MBA Metileno bis-acrilamida MPTS 3-metacriloxipropilmetoxisilano PEG Poli(etileno glicol) PEGMA Poli(etileno glicol) metiléter metacrilato PEGDA Poli(etileno glicol) diacrilato PNIPAM Poli(N-isopropilacrilamida) PVP Polivinilpirrolidona SAED Difração de elétrons de área selecionada, do inglês “selected área electron diffraction” SEM Microscopia eletrônica de varredura do inglês “scanning electron microscopy” STEM Microscopia eletrônica de varredura e transmissão, do inglês “scanning transmission electron microscopy” T Temperatura TEG Trietilenoglicol TEM Microscopia eletrônica de transmissão do inglês “transmission XV electron microscopy” TG Análise termogravimétrica, do inglês “thermal gravimetric analysis” TTEG Tetraetilenoglicol VPTT Temperatura de transição de volume do inglês “volume phase transition temperature” w Largura da distribuição log-normal XVI SÚMARIO 1. INTRODUÇÃO E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................... 1 1.1. Nanopartículas de ferro metálico ................................................................................. 9 1.2. Estratégias de recobrimento de nanopartículas metálicas ......................................... 13 1.2.1. Recobrimento com sílica ..................................................................................... 13 1.2.2. Recobrimento com óxido de ferro ....................................................................... 15 1.3. Nanogéis de poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) ................................................... 16 1.4. Nanocompósitos à base de PNIPAM e nanopartículas de magnetita ........................ 19 2. OBJETIVOS ..................................................................................................................... 22 3. PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................ 23 3.1. Materiais .................................................................................................................... 23 3.2. Obtenção de nanopartículas de ferro metálico e estratégias de recobrimento ........... 24 3.2.1. Síntese de nanopartículas de ferro metálico recobertas com sílica ..................... 26 3.2.2. Síntese de nanopartículas de ferro metálico passivadas ..................................... 28 3.3. Síntese de nanopartículas poliméricas e de nanocompósitos magnéticos à base de poli(N-isopropilacrilamida) ................................................................................................ 31 3.3.1. Funcionalização das nanopartículas de óxido de ferro e ferro passivado ............ 32 3.3.2. Síntese de nanopartículas poliméricas e nanocompósitos magnéticos ............... 33 3.3.3. Enxertia da superfície das nanopartículas e nanocompósitos poliméricos com PEG .............................................................................................................................. 35 3.4. Métodos físicos e químicos de caracterização........................................................... 37 3.4.1. Difratometria de raios x de pó (DRX) .................................................................. 37 3.4.1.1. Refinamento da estrutura pelo método de Rietveld .......................................... 38 3.4.2. Calorimetria exploratória diferencial (DSC) ......................................................... 39 3.4.3. Análise Termogravimétrica (TG) ......................................................................... 39 3.4.4. Microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e difração de elétrons de área selecionada (SAED) ..................................................................................................... 40 3.4.5. Microscopia eletrônica de varredura (FEG-SEM) ................................................ 41 3.4.6. Espectroscopia Mössbauer ................................................................................. 41 3.4.7. Espectroscopia de fotoelétrons (XPS) ................................................................. 42 3.4.8. Espectroscopia no Infravermelho ........................................................................ 42 3.4.9. Ressonância Magnética Nuclear (1H-RMN) ........................................................ 42 3.4.10. Espalhamento de luz dinâmico (DLS) ............................................................... 43 3.4.11. Espectroscopia de emissão atômica com plasma induzido (ICP-AES) ............. 44 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................................... 45 4.1. Nanopartículas de ferro metálico recobertas com sílica ............................................. 45 XVII 4.2. Nanopartículas de ferro metálico passivadas com magnetita .................................... 65 4.2.1. Efeito da adição de precursor de ferro e do programa de aquecimento .............. 66 4.2.2. Efeito do agente de superfície e do programa de aquecimento ........................... 71 4.2.2. Efeito do agente de superfície e do solvente ....................................................... 75 4.3. Nanopartículas e nanocompósitos poliméricos .......................................................... 95 4.3.1. Nanopartículas poliméricas controles .................................................................. 96 4.3.2. Nanocompósitos poliméricos ............................................................................ 104 4.3.3. Estudo do comportamento termossensível dos nanogéis e nanocompósitos poliméricos ................................................................................................................. 112 5. CONCLUSÃO ................................................................................................................ 120 REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 121 1 1. INTRODUÇÃO E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O desenvolvimento de métodos físicos e químicos de fabricação, caracterização e manipulação de estruturas nanométricas permitiu o desenvolvimento e aprimoramento dos nanomateriais e a sua utilização como blocos de construção. Estes nanomateriais podem ser organizados em arquiteturas complexas voltadas para a criação de materiais multifuncionais, nano e microestruturados.1 Os materiais nanoestruturados são definidos como materiais que apresentem uma ou mais dimensões na escala nanométrica (1-100 nm) e que apresentam comportamento intermediário entre o material em volume estendido e seus átomos ou moléculas constituintes.2 O aumento do interesse dos pesquisadores em objetos nas dimensões nanométricas é devido à descoberta de propriedades físicas e químicas únicas dessas nanopartículas, as quais advêm da grande fração de átomos exposta na superfície das partículas e do número finito de átomos no material ou em uma dimensão do material. Elas surgem devido ao tamanho desses sistemas ser comparável com os comprimentos de onda de De Brogli para os elétrons, fônons ou éxcitons propagando neles.3 Um fator central para a mudança nas propriedades físicas e químicas de pequenas partículas com a diminuição do seu tamanho é o aumento da fração de átomos de superfície, denominada dispersão. A dispersão é proporcional à área de superfície dividida pelo volume, ou seja, é proporcional ao inverso do raio. A figura 1 mostra a evolução da fração de átomos de superfície com a diminuição do volume de um sistema cúbico contendo n átomos ao longo de cada aresta e um total de N átomos, sendo N = n3. 4 As nanopartículas apresentam um número finito de átomos e os átomos de superfície possuem poucos vizinhos diretos comparados aos átomos em volume. Deste modo, os átomos de superfície apresentam baixo número de coordenação, fazem menor número de ligações e possuem quebra de simetria local, características estas que os diferem dos átomos em volume estendido.5 Do ponto de vista energético, um decréscimo no tamanho de partícula resulta em um aumento na fração de energia de superfície e de seu potencial químico devido à menor estabilidade dos átomos de superfície.3, 4 2 Figura 1. Evolução da fração de átomos de superfície em função do volume para cluster cúbico com n variando até 100 átomos (N = 106). As estruturas mostram o empacotamento dos primeiros quatro clusters (n =2, 3, 4 e 5). Fonte: Roduner (2006)4. Adaptado pela autora. Os efeitos quânticos de tamanho são responsáveis pelo aparecimento de propriedades físicas e químicas não usuais em nanopartículas, dentre as quais estão as elétricas, ópticas e magnéticas. Em sólidos de volume estendido cada N átomos contribuem com seus orbitais atômicos para a formação das bandas de energia, de modo que a densidade dos estados (DOS) no interior de uma banda é proporcional ao número de átomos adicionados.6 Em nanopartículas a DOS é reduzida devido ao número finito de átomos, o que também influencia a separação dos níveis de energia. Deste modo a estrutura eletrônica encontra-se em uma posição intermediária entre os estados observados para átomos e moléculas discretas e as estruturas de bandas observadas para sólidos em volume estendido (figura 2). Esses fatores são responsáveis pelo deslocamento em energia da luz absorvida ou da fluorescência relativa em função do tamanho para nanopartículas de materiais semicondutores e metálicos.4 3 Figura 2. Evolução da separação de bandas e da densidade dos estados com a diminuição do número de átomos no sistema. Fonte: Roduner (2006)4. Adaptado pela autora. Atualmente as propriedades únicas de nanopartículas estão em intensiva investigação. Um caso especial são as propriedades magnéticas no qual a diferença entre os materiais em volume e nanomateriais são pronunciadas. Em materiais magnéticos nanoestruturados são comumente observadas variações na magnetização e anisotropia, temperaturas de transição magnética como temperatura de Curie (Tc) (transição de ferromagnético para paramagnético) e temperatura de Néel (TN) (transição de antiferromagnético para paramagnético). Além disso, novas propriedades intrínsecas de nanomateriais são observadas como exemplo o superparamagnetismo.7 Neste contexto, nanopartículas magnéticas, tais como cobalto, ferro, níquel e ferritas como Fe3O4 e �-Fe2O3 têm mostrado potenciais aplicações em diversos campos, incluindo gravação magnética8, ferrofluidos9, remediação ambiental10, catálise11 e áreas biomédicas de diagnostico e terapia, tais como ressonância magnética nuclear12 e hipertermia13, devido suas propriedades magnéticas. Esses 4 materiais apresentam ferro- e ferrimagnetismo, sendo fortemente atraídos por um campo magnético aplicado.14 Nesses materiais os spins dos elétrons desemparelhados em átomos vizinhos se alinham causando um decréscimo na energia total do sistema. No caso de materiais ferrimagnéticos como as ferritas, os spins de átomos ocupando diferentes sítios cristalográficos se alinham em direções opostas causando uma menor magnetização comparada a de materiais ferromagnéticos como os metais ferrosos.15 Os parâmetros magnéticos comumente medidos são obtidos a partir de uma curva de magnetização em função do campo aplicado, o qual é ilustrado na figura 3. A aplicação de um campo magnético suficientemente grande causa o alinhamento dos spins do material com o campo. O máximo valor de magnetização alcançado é denominado magnetização de saturação, MS. Com a diminuição da magnitude do campo, os spins cessam seu alinhamento e a magnetização decresce. Em materiais ferro- e ferrimagnéticos existe uma magnetização remanente, MR, quando o campo iguala à zero. A magnitude de campo que deve ser aplicada na direção oposta para levar a magnetização à zero é denominada coercividade, HC. A forma do ciclo de histerese é de especial interesse para diversas aplicações, como exemplo gravação magnética, onde valores altos de remanência e moderada coercividade são desejáveis.16 Um importante fenômeno que ocorre em partículas magnéticas na nanoescala é o superparamagnetismo. As curvas de magnetização em função do campo aplicado de partículas superparamagnéticas são caracterizadas pela superposição das curvas obtidas pela aplicação do campo magnético na direção direta e depois na reversa, conforme ilustrado na figura 4. Como resultado não há histerese e os valores de MR e HC tendem a zero.7, 15 Esse comportamento surge em consequência do volume da nanopartícula ser suficientemente pequeno de modo que a barreira energética para reversão da direção dos spins magnéticos é da ordem da energia térmica kBT.17 O diâmetro crítico para observação do comportamento superparamagnético depende da anisotropia magnética, que é a energia responsável por manter os momentos magnéticos dos átomos numa partícula alinhados a uma mesma direção, e varia com o tipo de material.17 5 Figura 3. Curva de susceptibilidade magnética (M) versus campo aplicado (H), típica para materiais magnéticos nanoparticulados. Fonte: Lesley-Pelecky; Reike (1996)16. Adaptado pela autora. Figura 4. Curva de susceptibilidade magnética (M) versus campo aplicado (H), típica para nanopartículas superparamagnéticas. Fonte: Hubber (2005)15. Adaptado pela autora. Materiais magnéticos em volume estendido formam regiões de magnetização uniforme, denominados domínios, as quais consistem de grupos de spins alinhados na mesma direção. Os domínios são separados por paredes de domínio. Com o 6 decréscimo do tamanho da partícula o sistema atinge um diâmetro crítico no qual a formação de paredes de domínio é energeticamente desfavorável e a partícula passa a existir como um monodomínio.17 Nas dimensões de monodomínio o material atinge o valor máximo de coercividade, visto que a reversão da magnetização não pode mais ser efetuada pela movimentação das paredes de domínio e, ao invés, requer a rotação coerente dos spins totais16. Com a conseguinte redução no tamanho de partícula, os spins se tornam cada vez mais influenciados pelas flutuações térmicas até que seja atingido o regime superparamagnético 7. A figura 5 mostra de modo qualitativo a dependência da coercividade com o tamanho da partícula. Figura 5. Comportamento da coercividade de nanopartículas em função do tamanho. Fonte: Hubber (2005)15. Adaptado pela autora. Nanopartículas metálicas de Fe, Co e Ni possuem maior magnetização de saturação quando comparadas aos respectivos óxidos metálicos, o que é interessante para algumas aplicações. A principal dificuldade em utilizar metais puros surge da sua instabilidade frente à oxidação ao ar e dissolução em meio ácido, o que se torna muito mais susceptível de ocorrer com a redução do tamanho das partículas metálicas.15 Assim, há a necessidade do desenvolvimento de 7 métodos para melhorar a estabilidade química de tais partículas. Uma abordagem é o uso de estratégias de recobrimento do tipo caroço@casca, para deposição de uma camada protetora (a casca) na superfície externa das nanopartículas (os caroços) que previna contra reações de oxidação. Para contemplar esses objetivos têm sido empregados diferentes tipos de materiais na construção da casca, tais como carbono18, óxidos inorgânicos como sílica19, alumina20 e magnetita21, e metais nobres como ouro 22, prata 23 e paládio24. Além de aumentar a estabilidade química das nanopartículas metálicas essas estratégias de recobrimento visam à obtenção de estruturas do tipo caroço@casca com características tais como não-toxicidade, biocompatibilidade, dispersibilidade em água ou ainda atividade catalítica17. Com o objetivo de conferir biocompatibilidade e aumentar estabilidade química das nanopartículas a modificação da superfície é comumente empregada. Dentre diversas estratégias de modificação de nanopartículas magnéticas, a funcionalização da superfície com alcoxissilanos merece destaque.19, 25 Os precursores alcoxissilanos quando hidrolisados em condições controladas conduzem à formação de uma casca de sílica que recobre as nanopartículas e as protege contra oxidação e a dissolução no ambiente fisiológico. Ainda os precursores têm o papel de prover a superfície com grupos funcionais, que, a depender da sua natureza química podem ser empregados em etapas reacionais consecutivas com moléculas de interesse biológico e com compostos poliméricos.26 A mistura de materiais poliméricos com partículas inorgânicas na nanoescala leva à formação de nanocompósitos e pode resultar em propriedades não usuais, as quais não são observadas pela simples mistura dos dois componentes a nível macroscópico. Os materiais compósitos são desenvolvidos em uma variedade de estruturas e morfologias interessantes para atender diversas funcionalidades. Os compósitos coloidais representam uma importante classe desses materiais. Estes podem ser compostos por um caroço inorgânico rodeado por uma casca de polímero ou ainda serem compostos de uma matriz polimérica nanoparticulada onde se encontram dispersas diversas nanopartículas inorgânicas seja no interior da matriz27 e/ou na sua superfície.28, 29 Adicionalmente, os materiais poliméricos empregados oferecem uma rota para estabilização das nanopartículas inorgânicas contra a agregação. Alguns exemplos são polímeros ramificados30, dendrímeros31, macromoléculas biológicas como proteínas32 e micro- ou nanogéis33, 34. 8 Os métodos de polimerização interfacial têm emergido como uma alternativa para enxertar macromoléculas na superfície de nanopartículas via reações de polimerização por radical livre fazendo desse método uma abordagem interessante e inovadora para a funcionalização de nanopartículas magnéticas visando aplicações biomédicas.35 A combinação das propriedades magnéticas de nanopartículas metálicas ou óxidos ferro e as propriedades termorreversíveis de alguns polímeros pode levar a obtenção de estrutura caroço@casca multifuncionais36. Nanocompósitos de partículas magnéticas e géis poliméricos são atrativos para diversas aplicações biomédicas. Os géis poliméricos são capazes de intumescer ou colapsar sob a influência de estímulos externos, tais como temperatura e pH. Nesses sistemas a resposta do material pode ser revertida simplesmente pela remoção do estímulo, caracterizando um comportamento estimulo-reversível.37 A solubilidade dos polímeros termorresponsivos é dependente da temperatura, sendo, por esta razão, particularmente atrativos para aplicações em liberação controlada de fármacos. Dentre os polímeros termorresponsivos, a poli(N- isopropilacrilamida) (PNIPAM) é amplamente investigada para aplicações biomédicas devido à sua transição de fase ser próximo à temperatura do corpo humano (em torno de 32 °C).38 Os nanocompósitos contendo esse tipo de polímero apresentam novas propriedades, tais como a possibilidade de controle da morfologia das partículas e do comportamento de agregação, controle da permeabilidade de solventes e solutos no volume do polímero, bem como controle da auto-organização das partículas induzida pelo emprego de estímulos externos.37, 39 A combinação de propriedades magnéticas das nanopartículas e da solubilidade dos polímeros termossensíveis à base de PNIPAM em um único material pode gerar efeitos sinérgicos importantes para a sua utilização em aplicações biomédicas. Como exemplo, as nanopartículas magnéticas podem induzir aquecimento pela aplicação de um campo magnético alternado, fazendo com que o aumento da temperatura provoque a transição de fase do polímero que recobre a superfície das nanopartículas.34 O sistema pode ser desenvolvido para transportar moléculas para sítios específicos do organismo e permitir que a liberação de fármacos seja ativada ou desativada por um campo magnético externo.40 9 As seções seguintes são dedicadas à revisão da literatura a respeito de nanopartículas de ferro metálico, estratégias de recobrimento das mesmas para obtenção de estruturas caroço@casca, nanopartículas poliméricas e materiais multifuncionais à base de polímero e nanopartículas magnéticas. 1.1. Nanopartículas de ferro metálico Nanopartículas de ferro metálico encontram aplicações que fazem uso de suas propriedades físico-químicas e atividade catalítica, oriundas da elevada área de superfície, como exemplo tecnologias ambientais incluindo tratamento de água e efluentes41, como catalisador de baixo custo na fabricação de nanotubos/nanofibras de carbono42, na síntese da amônia, e em processos de desnitrificação43. Outras aplicações incluem usos como absorvedor de radiação micro-ondas para aplicações em tecnologias de comunicação19. Aplicações, tais como, armazenamento de dados44 e aplicações biomédicas como contraste de imagens de ressonância magnética (MRI) e liberação de drogas 45, são devidas à sua elevada magnetização de saturação (218 emu·g-1) comparada aos óxidos magnéticos contendo ferro como exemplo a magnetita, Fe3O4, (92 emu·g-1).46 Nanopartículas de ferro metálico são instáveis frente à oxidação pelo ar e podem atuar como agentes redutores, como exemplo em reações com metais e compostos organoclorados, conforme ilustrado na figura 6a. A superfície das nanopartículas de ferro metálico em contato com água e oxigênio forma uma camada de oxi-hidróxidos que passiva sua superfície e forma uma estrutura caroço@casca (figura 6b). Esses oxi-hidróxidos possuem composição não- estequiométrica e defeitos estruturais, servindo como sítios de ligação de espécies e favorecendo os processos de transferência de elétrons 47. Por outro lado, a combinação das fases ferro metálico e uma fase de óxido bem definida e magnética, como magnetita em uma estrutura do tipo caroço@casca oferece a possibilidade de obtenção de nanopartículas com elevada magnetização de saturação e biocompatibilidade proporcionada pela casca de magnetita46. 10 Figura 6. a) Estrutura caroço@casca de nanopartículas de ferro metálico e esquema de mecanismos para remoção de metais e compostos organoclorados. b) estrutura caroço@casca formada pela exposição das nanopartículas ao ar19. Fonte: O’Carroll; et. al. (2013)47; Yang; et. al. (2011)19. Adaptado pela autora. O Fe metálico é um material ferromagnético, apresenta magnetização espontânea devido ao acoplamento de spins entre átomos vizinhos gerando domínios magnéticos. Caracteriza-se por uma elevada magnetização (220 emu·g-1) e sua temperatura de Curie (temperatura em que o material se torna paramagnético), TC, é igual a 1042 K.48 Nanopartículas de ferro na faixa de tamanho abaixo de 20 nm são superparamagnéticas.5 Procedimentos levando a nanopartículas de Fe monodispersas têm sido descritos.1, 15, 45 Apesar disso, a preparação de nanopartículas consistindo de ferro puro é de difícil realização e frequentemente contém óxidos, carbonetos e outras impurezas. Os métodos de geração de nanopartículas magnéticas nas fases gasosa ou sólida, usando tratamentos de alta energia aplicados em uma fonte do metal, são denominados métodos físicos.3 Os métodos realizados em solução a temperaturas moderadas são denominados métodos químicos. Dentre estes incluem a termólise ou decomposição térmica, deposição eletroquímica, método poliol, e redução com agentes redutores fortes.3, 15 A obtenção de nanopartículas de ferro metálico puro pode ser obtida pela evaporação do metal em atmosfera de Ar, seguida de deposição em um substrato.49 São métodos de evaporação do metal frequentemente empregados: vaporização a laser, vaporização térmica, arco de descarga e vaporização por plasma.3 Pelo 11 controle da taxa de evaporação, temperatura do substrato, pressão e composição do gás inerte (Ar ou He) o tamanho de partícula pode ser controlado na faixa de 3 nm a 100 nm. É comum nesse tipo de síntese a realização da passivação das nanopartículas pela passagem de um fluxo de gás inerte contendo uma pressão parcial de oxigênio antes da sua exposição à atmosfera.50 Os métodos comuns de síntese química empregam como compostos precursores carbonilas metálicas, compostos organometálicos, carboxilatos metálicos, para preparação de nanopartículas. Incluem a decomposição térmica de Fe(CO)5, onde o estado de valência do ferro é zero, e decomposição redutiva de alguns sais de ferro(II) ou redução de acetilacetonato de ferro(III). São comumente empregados redutores moderados tais como, oleilamina, tri-octilfosfina, 1,2-hexadecanodiol e 1,2-dodedecanodiol. 51, 52 Ainda, tem sido relatado o emprego de atmosferas enriquecidas com gás hidrogênio. Os métodos de decomposição térmica e decomposição redutiva de sais de ferro proporcionam excelente controle sobre o tamanho e forma e permite obtenção de nanopartículas com baixa polidispersão.53 Alternativamente, a polidispersão de nanopartículas nas dispersões coloidais obtidas pode ser diminuída aplicando-se métodos de seleção de tamanhos, como a precipitação fracionada, onde a adição controlada de um solvente adequado precipita as partículas maiores.51 Contudo os métodos de decomposição térmica e decomposição térmica redutiva podem apresentar baixos rendimentos, baixa capacidade de produção em massa de nanopartículas, além de empregar comumente solventes orgânicos tóxicos como éter difenílico e éter dibenzílico. O método de deposição eletroquímica, ainda pouco explorado na fabricação de materiais nanoestruturados, tem sido empregado satisfatoriamente na fabricação de nanopartículas, nanofios e filmes finos de Fe, FePd, FeNi e Fe3O4 43, 54, 55 com elevada cristalinidade e dimensões na faixa de 30-170 nm. Nesse método as nanopartículas são formadas a partir de uma fonte do íon metálico em solução e depositadas em um eletrodo de carbono pela aplicação de corrente. Fatores como estrutura cristalina orientação cristalográfica são controlados pelo ajuste da densidade de corrente aplicada, pH e composição da solução.54 Outro método de redução em solução é o processo denominado poliol, o qual tem sido empregado para a síntese de nanopartículas de metais e ligas.46 Esse método consiste em um processo não-aquoso no qual álcoois polihídricos como 12 etileno glicol, trimetileno glicol, poli(etileno glicol) e etc. são usados como agente redutor e solvente. O mecanismo de redução envolve a desidratação do glicol formando o aldeído e em seguida em acetal correspondente, a qual é catalisada por OH-, e transferência de elétrons para o íon metálico levando à formação das nanopartículas do metal.56 A redução do ferro e o tamanho das nanopartículas são influenciados pelo tipo do glicol empregado, concentração dos precursores, razão OH-/Fe e temperatura, sendo em alguns casos observado o desproporcionamento entre as fases de Fe metálico e Fe3O4.57 Os métodos de redução empregando os hidretos como trietilboroidreto de lítio (LiBHEt3) e boroidreto de sódio (NaBH4) têm sido amplamente utilizados para sintetizar nanopartículas metálicas de ferro e ligas heterometálicas (FeCo, FeCu, CoCu). A utilização do LiBHEt3 comumente é realizada na presença do sal do metal e agentes de superfície, como ácido oleico, oleilamina e trialquilfosfinas, dissolvidos em solventes orgânicos.23 Esses métodos podem resultar em uma mistura de fases metálicas, incluindo α-Fe, FeB e Fe2B. As nanopartículas de ferro metálico produzidas são pouco cristalinas, polidispersas apresentando uma faixa de tamanhos entre 10 e 200 nm. A síntese de ferro metálico por redução com NaBH4 tem sido extensivamente estudada em meio aquoso e em solventes como metanol, etanol, etilenoglicol e diéteres derivados de oligoetilenoglicol como dietilenoglicol dimetiléter.58 A redução com boroidreto de íons férrico a Fe metálico é um método direto e simples, além de apresentar rendimento quantitativo, possibilidade de escalonamento para grandes quantidades, fatores estes que são atrativos para algumas aplicações práticas. As nanopartículas produzidas apresentam grande polidispersão de tamanhos e baixa cristalinidade, sendo realizado quando conveniente o tratamento térmico em atmosfera inerte para cristalização da fase metálica. Para prevenir as nanopartículas de ferro da aglomeração podem ser adicionados durante a síntese agentes de dispersão como polivinilpirrolidona (PVP) e carboximetilcelulose.5, 59 O método de redução com boroidreto tem sido aplicado em sistemas de microemulsão de micelas reversas para obtenção de nanopartículas metálicas com menor polidispersão.60 13 1.2. Estratégias de recobrimento de nanopartículas metálicas 1.2.1. Recobrimento com sílica A principal dificuldade para o uso de nanopartículas magnéticas metálicas puras surge da sua instabilidade frente à oxidação ao ar, a qual é favorecida quanto menor se torna o seu tamanho. Uma estratégia para a estabilização química de nanopartículas é a formação de estruturas caroço@casca pela deposição de materiais isolantes na superfície e que previna a reação dos átomos da superfície com o oxigênio.61 A deposição de sílica sobre nanopartículas magnéticas tem sido investigada extensivamente. O recobrimento com sílica apresenta vantagens como excepcional estabilidade das dispersões aquosas, fácil modificação de superfície, permite o controle da distância entre os caroços e das interações entre as partículas através da espessura da casca61, 62. A metodologia de recobrimento das partículas com sílica utiliza o processo sol-gel, no qual a sílica é formada in situ através da hidrólise e condensação do precursor alcoxissilano, o qual possui fórmula química geral Si(OR)4, sendo R = CH3, C2H5 ou C3H7.63 Na presença de água ocorre a reação de hidrólise do Si(OR)4, a qual pode ser catalisada por ácido ou base, levando a formação de espécies Si(OR)4-n(OH)n, onde n é o número de grupos alcóxido substituídos (figura 7). De modo similar, a reação de condensação das espécies Si(OH)4-n(OR)n pode ser catalisada por ambos ácido ou base levando a formação de uma rede contendo ligações Si-O-Si (figura 7). O método sol-gel é amplamente aplicado ao recobrimento de nanopartículas de óxido de ferro, como magnetita, maghemita e hematita, onde há uma elevada afinidade da superfície do óxido pela camada de sílica que se forma. Em trabalhos prévios, o recobrimento de nanopartículas de hematita com sílica e posterior redução do óxido a ferro metálico foi descrito.64 Nesse caso o recobrimento foi preferencialmente realizado no óxido, o qual pode se ligar facilmente à sílica através dos grupos -OH da superfície. 14 Figura 7. Esquemas das reações de hidrólise e condensação de alcoxissilanos em meio ácido e básico. Fonte: Cushing; et.al. (2004)63. Adaptado pela autora. A deposição de sílica em partículas metálicas puras é desfavorecida devido a ausência de grupos -OH na superfície do metal. As tecnologias de recobrimento de nanopartículas de ferro metálico com sílica diferem pela necessidade de funcionalização prévia da superfície metálica. Tem sido demonstrado que a sílica formada na presença da superfície de ferro metálico sem modificação não adere às partículas metálicas resultando em segregação de partículas de sílica isoladas.65 Contudo, nesse mesmo estudo, foi demonstrado que as partículas de ferro metálico (~1 µm) foram recobertas com sílica quando gelatina foi usada como agente modificador da superfície. A escolha da gelatina foi racionalizada a partir da observação que as proteínas favorecem a ligação da superfície de hematita com a sílica, e como as partículas de ferro metálico possuem uma camada fina de óxido, o comportamento poderia ser similar. Mais recentemente, o uso de precursores alcoxissilanos tais como 3-mercaptopropiltrimetoxisilano e 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) para funcionalizar a superfície de nanopartículas de ferro tem conduzido a 15 excelentes resultados de recobrimento com sílica66, 67. Essas estratégias de funcionalização da superfície metálica são baseadas na coordenação dos sítios metálicos dispostos na superfície65 com grupos -NH2, -SH e -COOH devido à reações do tipo ácido-base de Lewis. 1.2.2. Recobrimento com óxido de ferro Nanopartículas de ferro metálico são de grande interesse em muitas aplicações tecnológicas incluindo gravação magnética 8, fluidos magnéticos9, biotecnologia e biomedicina12, 68, remediação ambiental59 e catálise69, devido as suas propriedades magnéticas, químicas e eletrônicas3. O principal inconveniente relacionado com nanopartículas de ferro metálico é sua instabilidade frente à oxidação na atmosfera ambiente. Para superar essa limitação, muitas estratégias de proteção de superfície têm sido desenvolvidas, incluindo encapsulação com carbono70, metais nobres22-24 e óxidos tais como Fe3O4 45 e SiO2 66. Todas essas estratégias resultam em nanopartículas magnéticas com uma estrutura caroço@casca, na qual a casca serve como uma camada de proteção. Em particular, coberturas com camadas de Fe3O4 são de grande interesse, pois uma cobertura magnética no topo de uma nanopartícula magnética geralmente exerce alguma influência sobre suas propriedades magnéticas.17 O comportamento ferrimagnético do óxido metálico da cobertura resulta em uma menor redução da saturação de magnetização das nanopartículas caroço@casca finais quando comparadas com o efeito de diluição magnética gerado pelo uso de materiais paramagnéticos ou diamagnéticos.46, 66, 70 A produção de nanopartículas de ferro metálico e passivação via oxidação de superfície resultando em uma camada de óxido de ferro tem sido investigada por um número de autores através de diferentes rotas sintéticas. Dentre as abordagens típicas estão a evaporação do ferro para formar nanopartículas seguida pela posterior oxidação na presença de oxigênio50, 71, spray pirólise de chama72, 73 e métodos em solução como decomposição térmica de compostos de coordenação de ferro em solventes de alto ponto de ebulição21, 45, 53, 68, solvotermal74, 75 e método do poliol57. Pelo controle da estrutura e composição da camada de óxido as propriedades magnéticas das partículas caroço@casca resultantes podem ser ajustadas através do controle das dimensões do caroço e da casca, o que controla 16 seletivamente as propriedades das nanopartículas caroço@casca para as aplicações desejadas. No presente estudo, a passivação de nanopartículas de ferro metálico com uma cobertura de óxido de ferro de composição bem definida foi descrita. O principal objetivo foi obter uma rota sintética para produzir uma camada de óxido de ferro com alta cristalinidade para proteger os caroços de ferro mais eficientemente, uma vez que óxidos não-cristalinos podem não proteger o ferro metálico da oxidação profunda.45 Para esse propósito, a passivação de nanopartículas de ferro metálico pré-sintetizadas foi realizada pelo aquecimento da amostra a temperatura de refluxo nos solventes di-, tri-, e tetraetilenoglicol, levando a formação de uma camada cristalina de Fe3O4, então resultando em nanopartículas com propriedades magnéticas intermediárias entre o ferro metálico e o óxido de ferro. Esta abordagem proporciona novos conhecimentos para o desenvolvimento de nanocompósitos com estrutura caroço@casca como metal@óxido metálico. 1.3. Nanogéis de poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) Nas últimas décadas tem-se observado centenas de publicações envolvendo poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAM), seja como homopolímero ou como constituinte de copolímeros, géis, micro- e nanogéis e recobrimento de superfícies. Esse interesse é devido ao comportamento de solubilidade dependente da temperatura, o qual foi primeiro descrito por Heskisn e Guillet em 1968.76 O uso de géis PNIPAM como um biomaterial foi proposto pela primeira vez por Hoffman et al. em 1986 para liberação de vitamina B12 e mioglobina.77 Atualmente, PNIPAM encontra-se dentre os polímeros termossensíveis sintéticos mais investigados. Micro- e nanogéis são partículas poliméricas com a capacidade de formação de coloides. Estas possuem propriedades em comum com polímeros solúveis em água, macrogéis intumescidos (em meio aquoso) e partículas de látex insolúveis em água.78 As propriedades dos nanogéis dependem do balanço das interações polímero-polímero versus polímero-água. Similar aos géis macroscópicos, os nanogéis coloidais são caracterizados pelo grau de intumescimento, pela densidade de reticulação e pela cinética de intumescimento e retração. Análogo aos coloides poliméricos hidrofóbicos, nanogéis poliméricos podem ser preparados para originar partículas com estreita distribuição de tamanhos, as quais podem ser caracterizadas 17 por técnicas comumente utilizadas para caracterização de coloides como espalhamento de luz, reologia e microscopia eletrônica. Ainda, a estabilidade coloidal das dispersões de nanogéis é influenciada por diversos fatores como força iônica e adição de floculantes.79 Os géis poliméricos sensíveis à temperatura são a classe de polímeros estímulos-responsivos mais extensivamente estudada no campo da obtenção de sistemas para liberação controlada de drogas.80 Nesses sistemas a solubilidade do polímero em água depende da temperatura. Isto é, o grau de intumescimento do polímero muda drasticamente conforme a temperatura aumenta. O gel pode sofrer agregação acima de uma temperatura definida, chamada temperatura crítica de solubilidade inferior (LCST – lower critical solution temperature). A força motriz para o processo de agregação é a entropia (S) da solução do polímero ser menor que do sistema bifásico polímero-água (ΔS negativo).81 A redução da entropia do sistema se torna importante com o aumento da temperatura e favorece a tendência de agregação do polímero.38 A entalpia exotérmica (ΔH negativo) é influenciada pelas ligações de hidrogênio formadas pelos grupos polares do polímero e as moléculas de água, sendo a causa inicial da dissolução. Com o aumento da temperatura o termo entálpico sofre pouca variação e o termo entrópico se torna dominante. Desta forma, a energia livre de solução se torna positiva (ΔG=ΔH-TΔS) sendo mais favorável a separação de fases.80 Uma vez que a LCST é alcançada, as cadeias do polímero colapsam e se agregam, aumentando o espalhamento da luz na dispersão e causando turbidez.38 O ponto de turbidez é seguido pelo aparecimento de duas fases, uma composta pelo gel colapsado, o qual expeliu a maior parte da água associada às cadeias do polímero, e a outra que compreende o meio aquoso propriamente dito. Este processo é que motiva a aplicação dos géis termossensíveis em sistemas de liberação de drogas. Quanto à composição química, a campo de estudos dos géis termorresponsívos tem sido dominado pelas poli(N-alquilacrilamidas), sendo a poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) um dos compostos mais proeminentes e investigados.81, 82 A estrutura molecular da PNIPAM é esquematizada na figura 8a. O polímero PNIPAM mostra uma LCST bem definida, próxima de 32 °C, a qual pode ser deslocada para temperaturas próximas à do corpo humano pela presença de co- 18 monômeros iônicos bem como pela formulação dos géis de PNIPAM com sais83 ou surfactantes84. O grupo isopropila na cadeia lateral carregado por cada unidade monomérica de PNIPAM confere um pequeno caráter hidrofóbico e é responsável pela atividade do polímero e interação com surfactantes.85 Figura 8. a) Estrutura química da poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAM). b) Representação esquemática da transição coil-to-globule de uma nanopartícula de PNIPAM. Fonte: Hoffman (2014)86. Adaptado pela autora. Nanogéis contendo segmentos de PNIPAM inclusos em sua rede polimérica apresentam comportamento de intumescimento-desintumescimento dependente da temperatura. Isto se deve ao fato do PNIPAM possuir uma temperatura crítica de solubilidade. Com o aquecimento, estes nanogéis encolhem pela expulsão de água do seu interior sob uma faixa estreita de temperatura. A temperatura na qual esse fenômeno acontece é chamada de temperatura de transição de volume (VPTT, do inglês volume phase transition temperature) e é similar à LCST para os polímeros lineares.87, 88 A transição de volume de uma partícula de nanogél é representada esquematicamente na figura 8b e a figura 9 ilustra a mudança no aspecto macroscópico de uma dispersão de nanogéis de PNIPAM provocada pela transiçao de volume. Abaixo da VPTT os nanogéis de PNIPAM encontram-se no estado de completo intumescimento e acima da VPTT as partículas agregam devido ao colápso da rede polimérica, provocando o intenso espalhamento da luz observado pelo aparecimento de intensa turbidez na amostra.78 19 Figura 9. Dispersões aquosas de nanopartículas de PNIPAM em temperaturas abaixo e acima da VPTT. Fonte: Elaborado pela autora. Nanogéis de PNIPAM são frequentemente preparados por polimerização por precipitação livre de surfactante, ou seja, não são adicionados surfactantes no processo. Nesse caso o monômero é solúvel em água, contudo o polímero é insolúvel na faixa de temperatura geralmente utilizada, proporcionando o crescimento de nanopartículas.88 1.4. Nanocompósitos à base de PNIPAM e nanopartículas de magnetita A tendência de nanopartículas metálicas em formar agregados pode ser superada pela utilização de sistemas carreadores coloidais como nanopartículas poliméricas, dendrímeros e microgéis. Esses sistemas funcionam como suportes físicos para as nanopartículas metálicas evitando que estas sofram agregação.27 Os métodos típicos que têm sido desenvolvidos para a preparação de materiais compósitos polímero-magnéticos incluem a modificação direta de nanopartículas de óxido de ferro com polímeros, polimerização controlada iniciada na superfície, derivatização com sílica/polímero, alto organização e métodos de polimerização heterogênea.28, 89 Esses métodos proporcionam compósitos poliméricos-magnéticos com diferentes morfologias, conforme ilustrado na figura 10. 20 Figura 10. Diferentes morfologias de nanocompósitos poliméricos contendo nanopartículas magnéticas. a) caroço@casca; b) múltiplos caroços ou embutida; c) tipo “amora” ou heterocoagulada; d) tipo “escova” (brush). Fonte: Oh (2011)89. Estas morfologias incluem (a) estruturas caroço@casca, sendo o caroço composto por nanopartícula ou clusters de nanopartículas magnéticas; (b) estruturas de múltiplos caroços ou embutida, onde diversas nanopartículas magnéticas são dispersas homogeneamente na matriz polimérica da partícula de nanogel; (c) estrutura tipo “amora” ou heterocoagulada, na qual partículas magnéticas são localizadas na superfície de uma partícula de polímero (caroço); e (d) estrutura tipo “escova”, na qual cadeias poliméricas não-reticuladas são ligadas à superfície das nanopartículas magnéticas (caroço).89 A preparação de nanocompósitos de PNIPAM e nanopartículas magnéticas pode ser realizada por métodos de polimerização interfacial, nos quais a superfície das nanopartículas de óxido de ferro é funcionalizada com grupos vinílicos, que servirão de pontos de iniciação de cadeias poliméricas. A polimerização pode ser conduzida por métodos de polimerização em nanoemulsão ou por precipitação livre de surfactante, resultando em estruturas caroço@casca, onde a casca é composta por uma rede polimérica reticulada. Em métodos de polimerização em nanoemulsão as gotas são polimerizadas diretamente e, uma vez que ocorre uma mistura das nanopartículas magnéticas e monômeros no seu interior, estas podem resultar em nanocompósitos com morfologia de múltiplos caroços embutidos. A adição das nanopartículas magnéticas após o preparo da emulsão pode levar a formação de estruturas heterocoaguladas ou tipo “amora”.28, 29 Atualmente métodos de polimerização controlados, como exemplo, a polimerização radicalar por transferência de átomos (ATRP), têm sido empregados com sucesso para polimerização na superfície de nanopartículas resultando em 21 estruturas tipo “escova”. Nesses métodos as espécies iniciadoras são imobilizadas na superfície das nanopartículas, permitindo o crescimento controlado das cadeias poliméricas.90 Alternativamente, as nanopartículas metálicas ou de óxido de ferro podem ser sintetizadas no interior dos nanogéis. Deste modo esses sistemas agem como “nanoreatores” uma vez que promovem a síntese e imobilização da partícula metálica no interior da rede polimérica levando à formação de nanocompósitos contendo múltiplos caroços embutidos.27 Os métodos consistem em intumescer os nanogéis em uma solução dos íons do metal e em seguida adicionar ao meio uma solução do agente redutor ou para precipitação da fase desejada, como exemplo o boroidreto para formação de nanopartículas metálicas e hidróxido de sódio ou hidrazina para formação de nanopartículas de óxidos.91 Nanocompósitos de PNIPAM e nanopartículas de óxido de ferro possuem grande potencial para aplicações biomédicas incluindo hipertermia, liberação de fármacos, separação e imobilização de proteínas, etc. Esses sistemas combinam as propriedades de solubilidade do polímero e as propriedades magnéticas dos óxidos de ferro.36 O desenvolvimento desses materiais compósitos inclui o controle de características como tamanho e dispersão das partículas, introdução de funcionalidades químicas na superfície, controle da VPTT e da capacidade de intumescimento do polímero.89 22 2. OBJETIVOS Este trabalho tem como objetivo a preparação e caracterização de nanoestruturas Fe@SiO2 e Fe@Fe3O4 e de nanocompósitos Fe3O4@PNIPAM visando o controle da composição, morfologia e comportamento termossensível aplicando-se diversas variáveis de síntese. OBJETIVOS ESPECÍFICOS i. Síntese e caracterização de nanopartículas de ferro metálico pelo método de redução com boroidreto em função do meio reacional e da presença de agentes de superfície; ii. Preparação e caracterização de estruturas caroço@casca, empregando-se nanopartículas de ferro metálico como caroços e sílica como casca, através do método sol-gel; iii. Preparação e caracterização de estruturas caroço@casca, empregando-se nanopartículas de ferro metálico como caroços e magnetita como casca, através do método de passivação com solvente glicol; iv. Preparação e caracterização de nanopartículas poliméricas controles à base de PNIPAM e nanopartículas poliméricas caroço@casca à base de PNIPAM@PEG através do método de polimerização por precipitação livre de surfactante v. Preparação e caracterização de nanocompósitos à base de PNIPAM e nanopartículas de óxido de ferro ou ferro@óxido de ferro e obtenção de estruturas caroço@casca através da enxertia de PEG, utilizando-se o método de polimerização por precipitação livre de surfactante. 23 3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. Materiais Nos procedimentos descritos nesse trabalho foram utilizados os reagentes listados na Tabela 1. Tabela 1. Reagentes utilizados. Reagente Notação Pureza Marca 2,2'-Azobis(2-metilproprionitrila) AIBN 0,2 mol·L-1 em tolueno Aldrich 3-Aminopropiltrietoxisilano APTES 98% Sigma 3-Metacriloxipropiltrimetoxisilano MPTS 98% Sigma Acetil acetonato de ferro(II) Fe(acac)2 99,9% Aldrich Acetilacetonato de ferro(III) Fe(acac)3 99,9% Aldrich Acetonitrila - 99,8% Sigma Ácido acrílico AA 90% Alfa Aesar Boroidreto de sódio NaBH4 96% Fluka Cloreto de ferro(II) tetra-hidratado FeCl2.6H2O 98% Sigma Dietilenoglicol DEG 99% Sigma Etanol absoluto - anidro JT Baker Etilenoglicol EG 99% Merck Hidróxido de amônio - 29% Alfa Aesar N,N'-metilenobisacrilamida MBA 99% Sigma-Aldrich N-isoproprilacrilamida NIPAM 97% Aldrich Persulfato de amônio APS AR Malinckrodt Poli(etileno glicol) diacrilato (Mn = 700 kg·mol-1) PEGDA - Aldrich Poli(etileno glicol) metil éter metacrilato (Mn = 950 g·mol-1) PEGMA - Aldrich Poli(etileno glicol) Mn = 4 kg·mol-1 PEG4000 - Sigma Poli(etileno glicol) Mn = 8 kg·mol-1 PEG8000 - Sigma Polivinilpirrolidona Mn = 10 kg·mol-1 PVP10000 - Sigma Tetraetilenoglicol TTEG 99% Sigma Tetraetilortosilicato TEOS 98% Aldrich Trietilenoglicol TEG - Sigma Trietilenoglicol dimetil éter (triglima) TGL - Alfa Aesar Fonte: Elaborado pela autora O monômero N-isoproprilacrilamida foi recristalizado duas vezes em hexano e o monômero poli(etileno glicol) metiléter metacrilato foi passado por coluna cromatográfica de alumina básica antes de ser utilizado nas reações.92, 93 Os demais reagentes listados foram utilizados sem purificação prévia. A figura 11 mostra as fórmulas estruturais dos reagentes orgânicos utilizados. 24 Figura 11. Fórmulas estruturais dos reagentes orgânicos utilizados, agrupados por classes, listados na tabela 1. Fonte: Elaborado pela autora. 3.2. Obtenção de nanopartículas de ferro metálico e estratégias de recobrimento Nanopartículas de ferro metálico foram sintetizadas empregando-se o método de redução de íons Fe2+ com boroidreto.58 Nessa etapa inicial as variáveis de síntese investigadas foram: i) solvente e; ii) o emprego de agentes de superfície PEG e PVP no tamanho e forma das nanopartículas obtidas. Devido à alta reatividade da fase Fe0 presente nos materiais sintetizados, foi necessário o desenvolvimento de estratégias de recobrimento das partículas iniciais, gerando materiais compósitos mais estáveis frente à manipulação em condições atmosféricas normais e em etapas reacionais posteriores. Nessa segunda etapa, foram 25 empregadas duas estratégias de recobrimento, investigadas de forma independente: i) recobrimento com sílica; ii) passivação com óxido de ferro. Na etapa de recobrimento com sílica a variável investigada foi a temperatura. Na etapa de passivação as variáveis investigadas foram adição de precursor de ferro, rampa de aquecimento e comprimento da cadeia do solvente glicol. Os processos envolvidos na síntese e recobrimentos de nanopartículas produzidas estão resumidos na figura 12. Figura 12. Fluxogramas relacionando as variáveis de síntese empregadas nas etapas de redução e recobrimento: a) primeira etapa, precipitação das nanopartículas de ferro metálico; b) segunda etapa, recobrimento com sílica ou c) segunda etapa, passivação. Fonte: Elaborado pela autora. 26 3.2.1. Síntese de nanopartículas de ferro metálico recobertas com sílica O aparato utilizado para a síntese consiste em um sistema de aquecimento com agitação magnética contendo um balão de três bocas conectado a condensador, a um septo para entrada de gás e termopar a outro septo para adição de reagentes (figura 13). Os solventes utilizados foram previamente purgados empregando-se banho de ultrassom para auxilio na remoção de gases dissolvidos seguida de aborbulhamento com gás Ar, sendo o ciclo de ultrassom-aborbulhamento repetido duas vezes. Em um procedimento típico foram adicionados 4 mmol (0,8 g) de cloreto de ferro(II) tetra-hidratado dissolvidos em 40 mL de solvente purgado com gás Ar e o sistema foi purgado por 30 min com Ar. As sínteses realizadas em água e EG foram conduzidas à temperatura ambiente, enquanto que as sínteses realizadas em TTEG e TGL foram aquecidas a 140 °C. Após a temperatura requerida ser atingida, foram injetados 12 mmol (0,47 g) de boroidreto de sódio disperso em 2 mL de TGL. O meio reacional foi mantido sob agitação vigorosa por tempos predeterminados que variaram de 1h a 5h, conforme descrito na tabela 2. O sólido magnético obtido foi separado com imã ou por centrifugação a 10000 rpm nas ocasiões onde as partículas obtidas eram coloidais e lavado três vezes com uma mistura de etanol:água (50:50) purgada com gás Ar, seguida por lavagem com etanol absoluto duas vezes. O recobrimento com sílica foi adaptado de Zhu et al. 62. Na segunda etapa as partículas recém-preparadas foram dispersas em 40 mL de etanol absoluto purgado com gás Ar contendo 30 µL de APTES. A suspensão foi submetida a ultrassom de sonda de 5 mm por 30 min em banho de gelo. A suspensão foi transferida para um balão de três bocas e foi mantida sob agitação por 1 h à temperatura ambiente sob fluxo de Ar. Em seguida foram adicionados à suspensão 0,12 mL de TEOS e 0,8 mL de hidróxido de amônio e a reação procedeu por mais 5 h à temperatura ambiente. Em algumas sínteses após 4 h de reação à temperatura ambiente, o sistema foi aquecido a refluxo (ca. 70 °C) por um período de 12 h. As partículas foram separadas com um imã, lavadas duas vezes com etanol absoluto, uma vez com acetona e secas sob vácuo. A tabela 2 relaciona as amostras produzidas nesta etapa e as condições de síntese empregadas. A nomenclatura das amostras é racionalizada pela fórmula Fe(solvente)@SiO2, sendo o solvente utilizado na 27 preparação das partículas precursora indicado por números: 10 = água sem adição de agente de superfície; 2 = EG; 3 = TTEG; 4 = TGL. Figura 13. Representação esquemática das etapas de síntese e do aparato experimental utilizado na preparação de nanopartículas de ferro metálico e do recobrimento com sílica. Fonte: Elaborado pela autora. Tabela 2. Condições de síntese das amostras de ferro recobertas com sílica. Etapa 1: redução Etapa 2: recobrimento com SiO2 a Amostra Solvente Temperatura (°C) Tempo (h) Precursor do recobrimento Temperatura (°C) Tempo (h) Fe10@SiO2-A Água Tamb 1 APTES; TEOS Tamb 5 Fe3@SiO2-A TTEG 140 2 APTES; TEOS Tamb 5 Fe2@SiO2-A EG Tamb 1 APTES; TEOS Tamb 5 Fe2@SiO2-Ra EG Tamb 1 APTES; TEOS 70b 12 Fe3@SiO2-R TTEG 140 2 APTES; TEOS 70 b 12 Fe10@SiO2-R Água Tamb 1 APTES; TEOS 70 b 12 Fe4-5h@SiO2-R TGL 140 5 APTES; TEOS 70 b 12 a As letras no final do nome da amostra indicam a temperatura usada na etapa de recobrimento com sílica: A= temperatura ambiente; R= temperatura de refluxo. b Aquecimento iniciado após 4 h de agitação à temperatura ambiente. Fonte: Elaborado pela autora. 28 3.2.2. Síntese de nanopartículas de ferro metálico passivadas Uma metodologia para passivação da superfície das partículas de ferro metálico com uma camada de magnetita foi desenvolvida, baseada no procedimento de Cai e Wan94 para produção de nanopartículas do óxido de ferro, sendo descrita a seguir. Na primeira etapa, nanopartículas de ferro metálico precursoras foram sintetizadas conforme descrito na seção 3.2.1. Em um balão de três bocas, 4 mmol de FeCl2.4H2O foram dissolvidos em 40 mL de solvente, sendo empregados água, TTEG ou TGL. Nas sínteses realizadas em meio aquoso foram adicionados 1 g de agente de superfície na solução de íons Fe2+, sendo utilizados PEG (Mn=4 kg·mol-1 e 8 kg·mol-1) e PVP (Mw=10 kg·mol-1) e também foram realizadas sínteses sem adição do polímero. Após a purga do meio reacional com Ar por 30 min, foram injetados 12 mmol de boroidreto de sódio disperso em 2 mL de TGL. Nas sínteses realizadas em TTEG e em TGL a adição do redutor foi realizada a 140 °C. A reação procedeu por períodos que variaram de 1 a 5 h dependendo do meio reacional empregado e as condições reacionais e amostras obtidas são relacionadas na tabela 3. Na segunda etapa as partículas recém-preparadas foram separadas com auxilio de imã ou por centrifugação, lavadas com acetona purgada três vezes e dispersas em 20 mL de TTEG, TEG ou DEG. A dispersão foi transferida para um balão de três bocas conectado a um condensador, entrada de gás Ar, termopar e sistema de aquecimento com agitação. Em algumas sínteses foram adicionados à mistura reacional uma quantidade determinada de precursor Fe(acac)3 ou Fe(acac)2, conforme descrito na tabela 3. Após purga com gás Ar por 30 min, a mistura reacional foi aquecida até 120 °C e o fluxo de gás aumentado por um período de 10 min, visando o arraste da acetona residual. Em seguida o aquecimento procede até 180 °C com taxa de aquecimento igual 5 °C·min-1 por 30 min e depois a refluxo com taxa de 10 °C·min-1 pelos tempos determinados 10 min, 30 min ou 1 h. Em algumas sínteses a rampa de aquecimento até 180 °C foi eliminada e a mistura reacional foi aquecida diretamente a refluxo. As temperaturas de refluxo para os solventes utilizados foram 310 °C, 280 °C e 245 °C para TTEG, TEG e DEG, respectivamente. Após o término da reação a mistura reacional foi resfriada à temperatura ambiente. As partículas foram sedimentadas com acetona e lavadas com mistura de água/etanol (50:50), lavadas com acetona duas vezes e secas a vácuo. 29 Foi ainda realizada uma síntese controle, sem a adição de nanopartículas metálicas precursoras, sendo adicionados apenas 4 mmol do precursor Fe(acac)3 e 40 mL de TTEG e utilizando programa de aquecimento 180 °C com taxa de 5°C·min-1 por 30 min e 310 °C com taxa de 10 °C·min-1 por 30 min. As variáveis de síntese estudadas nessa etapa foram: a influência da adição do precursor de ferro, o tempo de refluxo, o tipo solvente glicol empregado na passivação e o tipo de nanopartícula de ferro metálico precursora. A tabela 3 relaciona as amostras obtidas e as condições de síntese empregadas. A figura 14 mostra a representação esquemática do processo de síntese empregado na preparação das nanopartículas passivadas. A nomenclatura das amostras é racionalizada pela fórmula Fe(solvente)@Fe3O4, sendo o solvente utilizado na preparação das partículas precursora indicado por números: 10 = água sem adição de agente de superfície; 11 = solução aquosa de PEG 4 kg·mol-1; 12 = solução aquosa de PEG 8 kg·mol-1; 13 = solução aquosa de PVP 10 kg·mol-1; 2 = EG; 3