UMA BALANÇA ELETROQUÍMICA PARA O ESTUDO DA REOLOGIA DE FILMES FINOS
Rogério Siqueira Chiacchio (IC) e David Mendez Soares (PQ)
Laboratório de Interfaces, Instituto de Física “Gleb Wataghin” , Universidade Estadual de Campinas, C. P. 6165, 13083-970 Campinas SP
A microbalança de cristal de quartzo eletroquímica, MCQE, é uma ferramenta muito poderosa para caracterização e estudo de filmes finos, especialmente de processos redox em filmes poliméricos 1,2. A MCQE consiste em um disco fino de cristal de quartzo piezelétrico em corte AT, no qual as faces são recobertas por filmes metálicos (eletrodos). Uma das faces em contato com o eletrólito é usada como eletrodo de trabalho “WE”. Um circuito oscilador acoplado aos eletrodos do cristal, faz com que este oscile transversalmente em sua freqüência de ressonância mecânica, fo. Este oscilador mecânico pode ser descrito por um circuito elétrico análogo equivalente R’L’C’ série, onde a indutância L’ corresponde à massa do cristal, a resistência R’, às perdas de energia por fricção, e o condensador C’ à costante de mola do cristal. As variação da freqüência de ressonância f0 e da resistência de ressonância R’, causadas pela eletrodeposicao de filmes sobre o WE, em conjunto com medidas eletroquímicas, fornecem relevantes informações sobre a formação, morfologia e propriedades reológicas desses filmes3,4 em tempo real 6.
Construir uma MCQE que permita o monitoramento automático da freqüência de ressonância f0 e da resistência de ressonância R’ em tempo real, durante um processo eletroquímico.
Através de um circuito realimentado, o sinal oscilante da balança é amplificado, retificado e comparado com um valor de referência. O sinal de tensão obtido atua sobre o transistor FET, controlando o ganho do circuito oscilante. O valor da resistencia do FET, para o inicio das oscilações, é proporcional à resistência R’ do cristal, podendo ser utilizado para sua determinação 5.
A calibração da EQCM foi feita com soluções de sacarose de diferentes concentrações, utilizando as equações de Kanazawa e de Muramatsu3,4 (as variações da resistência R’ e de f0, produzidos pelas diferentes soluções são proporcionais a raiz quadrada do produto da densidade e da viscosidade de cada solução).
Comportamento em tempo real da variação dos parametros fo e R’ na presença de fluidos newtonianos, ar, água e soluções de sacarose.
Após calibrar a EQCM aplicamos, em regime de fluxo continuo, soluções aquosas cada vez mais concentradas de sacarose e medimos as correspondentes variações em f0 e em R’. Como pode ser visto na figura acima, a frequência f0 diminui enquanto a resistência R’ aumenta à medida que soluções mais concentradas vão aparecendo. O sistema permaneceu estável, sem oscilações e traduziu perfeitamente o fenômeno ocorrido.
Nos experimentos realizados no laboratório a variação de R’ e da freqüência de ressonância f0 foram proporcionais entre si e à raiz quadrada do produto da densidade e viscosidade das soluções de sacarose. A EQCM com ajuste automático de R’ é um instrumento adequado para medidas da reologia de filmes finos em tempo real.
1 - E. M. Giroto e M. A. De Paoli, Quim. Nova 1999, 22(3), 364
2 - M. Hepel, L. Dentrone and E. Seymour, Polymer Solutions, Blends, and Interfaces, Elsevier 1992, 385
3 - K. K. Kanazawa, J. G. Gordon II, Anal. Chim. Acta 1985, 175, 99
4 - H. Muramatsu, E. Tamiyra, I. Karube, Anal. Chem. 1988, 60, 2142
5 - D. M. Soares, meas. Sci. Technol 1993. 4, 549
6 - V. E. Granstaff, S. J. Martin, J. Appl. Phys 1993, 75, 1319