Estudos DFT e QSAR de nanocompósito PTFE/ZnO/SiO2

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9696 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O politetrafluoroetileno (PTFE) é um dos fluoropolímeros mais significativos, e uma das iniciativas mais recentes é aumentar seu desempenho usando óxidos metálicos (MOs). Consequentemente, as modificações superficiais do PTFE com dois óxidos metálicos (MOs), SiO2 e ZnO, individualmente e como uma mistura dos dois MOs, foram modeladas usando a teoria do funcional de densidade (DFT). O modelo B3LYPL/LANL2DZ foi utilizado nos estudos realizados para acompanhar as mudanças nas propriedades eletrônicas. O momento dipolar total (TDM) e a energia do gap HOMO/LUMO (∆E) do PTFE, que eram 0,000 Debye e 8,517 eV respectivamente, foram aumentados para 13,008 Debye e 0,690 eV no caso de PTFE/4ZnO/4SiO2. Além disso, com o aumento da carga nano (PTFE/8ZnO/8SiO2), o TDM mudou para 10,605 Debye e o ∆E diminuiu para 0,273 eV, levando a melhorias adicionais nas propriedades eletrônicas. Os estudos de potencial eletrostático molecular (MESP) e relação quantitativa de atividade estrutural (QSAR) revelaram que a modificação da superfície do PTFE com ZnO e SiO2 aumentou sua estabilidade elétrica e térmica. O compósito melhorado de PTFE/ZnO/SiO2 pode, portanto, ser usado como uma camada autolimpante para trajes de astronautas com base nas descobertas de mobilidade relativamente alta, reatividade mínima ao ambiente circundante e estabilidade térmica.

Naftalato de polietileno (PEN), tereftalato de polietileno (PET) e politetrafluoroetileno (PTFE) estão entre os polímeros bem conhecidos devido à sua resistência à corrosão e características elétricas, bem como ao seu baixo coeficiente de atrito, resistência a altas temperaturas e eficiência de custos1. Materiais super hidrofóbicos, como fluoropolímeros, tornaram-se uma vantagem extraordinária em diversas aplicações, incluindo propriedades de autolimpeza, anticongelamento, anticorrosão e proteção, como alta eficiência2,3. Os têxteis inteligentes também são considerados uma nova tendência baseada em fluoropolímeros com nanomateriais que podem ser utilizados para melhorar têxteis, como fatos espaciais e luvas, aplicações médicas, como vestuário cirúrgico, e utilização em hospitais inteligentes4,5. O PTFE é uma matriz polimérica com baixa energia superficial e é química e termicamente estável6. A inovação de materiais inteligentes pode ser empregada em aplicações espaciais, como trajes espaciais e armazenamento, modificando os materiais para reagir às mudanças na temperatura ambiente ou mesmo na temperatura corporal7,8,9. As propriedades do PTFE, como propriedades anticorrosivas, estão se tornando cada vez mais significativas, especialmente na indústria aeroespacial. A importância surge de seus benefícios, que são críticos para proteger os materiais contra rachaduras e/ou corrosão no ambiente aeroespacial hostil. Consequentemente, a utilização de uma substância anticorrosiva para proteger e prevenir adequadamente os trajes dos astronautas contra ferrugem e corrosão é uma abordagem nova10,11,12. A fabricação eficaz de uma ampla gama de sensores é possibilitada pelo uso do PTFE como substrato para o crescimento de nanotubos de ZnO, bem como por suas características mecânicas, físicas e químicas . A nanosílica é um tipo de material cerâmico que possui diversas propriedades únicas, incluindo alta dureza, resistência à corrosão e excelente isolamento elétrico14. Todas essas propriedades se combinam para tornar o SiO2 e o PTFE um material único, ideal para uma ampla gama de aplicações técnicas15. Além disso, a combinação de SiO2 com materiais de óxido semicondutor como ZnO16, TiO217, Fe2O318 e CuO19 melhora as características de autolimpeza, anticorrosão, anti-reflexo e magnéticas de materiais nanocompósitos.

O compósito PTFE/SiO2 possui superfície superhidrofóbica quando comparado às membranas de PTFE20. As nanofibras de PTFE/SiO2 demonstraram ser uma invenção confiável para excelente estabilidade térmica e química21. A dopagem do PTFE com SiO2 reduz a deformação da porosidade do PTFE e, ao mesmo tempo, aumenta a resistência à tração e a resistência do material. À medida que a quantidade de SiO2 no compósito PTFE/SiO2 aumentava, também aumentavam as características mecânicas22. A eficiência tribológica de compósitos PTFE/SiO2/Epóxi também foi estudada23. Observou-se que o efeito das nanoplacas de Al2O3 na matriz de PTFE aumenta a condutividade térmica, a estabilidade térmica e melhora as propriedades mecânicas com propriedades elétricas significativamente melhoradas24. Além disso, as características elétricas dos compósitos híbridos PANI/PTFE/GO25 e PTFE/CuO/G26 mostraram uma melhoria para serem empregados na fabricação de instrumentos eletroquímicos. O filme de ZnO/SiO2/PTFE sobre vidro foi feito com propriedades anticongelantes, resistência à corrosão e propriedades de isolamento, atuando assim como uma superfície anticongelante27. Além disso, alguns derivados do PTFE, como o Teflon FEP, são utilizados como camadas de controle térmico para o Telescópio Espacial Hubble (HST)28,29,30. O Teflon FEP sofre corrosão devido ao ambiente espacial na órbita terrestre baixa (LEO)31, expondo assim os componentes no espaço a danos e corrosão32,33.