Resumo: Os fenômenos eletrostáticos e suas consequências são familiares para a maioria das pessoas, mas o conhecimento sobre este tópico ainda é bastante empírico. Persistem grandes dificuldades na correlação de idéias fundamentais da teoria atômico-molecular com observações experimentais da eletrostática de materiais isolantes. A hipótese explorada nessa tese é: a atmosfera é uma fonte de cargas elétricas em isolantes, devido à partição de grupos OH- e H+ associados à adsorção de água. Logo, interações específicas entre íons presentes na água e sólidos isolantes contribuem para os padrões de cargas. Neste trabalho foram analisados padrões eletrostáticos em uma superfície de sílica recoberta por eletrodos de ouro produzidos por técnicas microlitográficas e partículas amorfas de fosfato de alumínio e sílica de Stöber utilizando a microscopia de força Kelvin (KFM) sob umidade relativa controlada. Os potenciais elétricos sobre a superfície de sílica dependem fortemente da umidade relativa, bem como da polarização dos eletrodos de ouro. A formação e dissipação dos padrões eletrostáticos são mais rápidas sob altas umidades. Já em baixas umidades a preservação dos potenciais elétricos é mais efetiva. Os potenciais elétricos das partículas de sílica e fosfato de alumínio são fortemente influenciados pela umidade relativa, sendo alterados mesmo em um ambiente completamente isolado eletricamente e aterrado. Os potenciais são modificados por eventos de adsorção e dessorção de água: sílica de Stöber torna-se mais negativa com o aumento da umidade, enquanto o fosfato de alumínio torna-se menos negativo, na ausência de qualquer ação de indução por um campo elétrico. Os resultados mostraram que a adsorção de água modifica os padrões de cargas de superfícies inorgânicas em escala nanométrica e que a eletroneutralidade não é uma característica geral de materiais isolantes. Neste trabalho também foram examinadas propriedades mecânicas de rigidez e adesão em nanoescala de partículas de fosfato de alumínio e dióxido de titânio, utilizando a microscopia de força pulsada digital (DPFM). As partículas apresentam uma grande heterogeneidade mecânica, mostrando domínios bastante diferenciados entre si. A nanoindentação da ponteira do AFM sobre as partículas mostrou que o dióxido de titânio apresenta maiores valores de rigidez, módulo de Young, força e energia de adesão e de histerese na deformação de suas superfícies. Ver menos

Abstract: Electrostatic charging is familiar to most persons but knowledge on this topic is still rather empiric, mainly because fundamental ideas on the structure of matter are not well connected to the phenomenology of insulator charging. This thesis explores the following hypothesis: the atmosphere is as an electric charge reservoir for insulators, due to the partition of OH- and H+ groups associated to water adsorption. Thus, specific interactions between ions of adsorbed layers of water and insulating solids contribute to charge patterning. In this work, electrostatic patterning was examined in a silica surface partially covered with sets of interdigitated gold electrodes produced by microlithography techniques and also in aluminum phosphate and Stöber silica amorphous particles, using Kelvin force microscopy (KFM) under controlled relative humidity. Electric potentials acquired from the silica surface depend largely on the relative humidity as well as on the applied potentials at the gold electrodes. Pattern formation and dissipation are much faster under high relative humidity while the charged or discharged silica states are both more stable at low humidity. The electric potential measured along the surface of amorphous particles changes with relative humidity within an electrically shielded and grounded environment. Thus, water adsorption and desorption modify charge status of these particles: Stöber silica surface becomes more negative at higher humidity while aluminum phosphate becomes less negative, without any external electric potential or inductive input. These results show that water adsorption modifies charge status of inorganic surfaces and that electroneutrality is not a widespread characteristic of insulating materials. Another section of the thesis describes local nanomechanical stiffness and adhesion properties for aluminum phosphate and titanium dioxide particles, using digital pulsed force microscopy (DPFM). Aluminum phosphate and titanium dioxide particle domains present a large degree of heterogeneity. Aluminum phosphate particles are softer materials than titanium dioxide, undergoing greater nanoindentation of the AFM tip. On the other hand, titanium dioxide particle surfaces present larger stiffness, Young modulus, tipadhesion force, energy dissipated by hysteresis and detachment energy than aluminum phosphate particles. Ver menos