Desenvolvimento de um spin-coater de baixo custo e avaliação da produção de filmes de alginato
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| Data de Publicação: | 2024 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | por |
| Título da fonte: | Repositório Institucional da UnB |
| Texto Completo: | http://repositorio.unb.br/handle/10482/50699 |
Resumo: | Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Pós-Graduação em Nanociência e Nanobiotecnologia, 2024. |
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Desenvolvimento de um spin-coater de baixo custo e avaliação da produção de filmes de alginatoAlginatoFilmes finosMicroscopiaDissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Pós-Graduação em Nanociência e Nanobiotecnologia, 2024.Filmes finos são camadas superficiais com espessuras que variam de poucos nanômetros a micrômetros. Suas aplicações podem incluir dispositivos eletrônicos, como transistores e células solares, a indústria alimentícia como embalagens biopoliméricas, embalagens inteligentes com propriedades personalizadas para o produto e também aplicações biomédicas, melhorando a biocompatibilidade e resistência à corrosão em superfícies, assim como para aplicações em feridas e implantes. Compreender as propriedades de filmes finos e seus processos de produção é essencial para o desenvolvimento de tecnologias inovadoras. Dentre várias técnicas de deposição para produção de filmes finos, spin-coating é considerada rápida e fácil para produzir filmes homogêneos. Ela é realizada por meio do espalhamento de um material em rotação sobre um substrato. Em sua aplicação, pode-se utilizar uma variedade de materiais que formam filmes após secagem ou solidificação, incluindo líquidos, suspensões, soluções ou géis. O controle da densidade e espessura do revestimento pode ser implementado ajustando a concentração do material depositado, a velocidade e o tempo de rotação do substrato. Neste estudo, é apresentado o desenvolvimento de um equipamento de spin-coating com opções de aceleração, tempo de deposição, tempo de rotação e velocidade programáveis. A máquina foi construída utilizando componentes eletrônicos comerciais, peças impressas em 3D e elementos reciclados, como a carenagem de um estabilizador, uma caixa plástica de CDs e um motor DC de CD ROM, reduzindo seu custo expressivamente. O protótipo final do spincoater desenvolvido apresentou funcionamento compatível com a finalidade desejada, cumprindo suas funções básicas de máquina para produção de filmes em laboratório e adicionando opções personalizadas de suporte para tamanhos e formatos de substrato e configurações de rotinas para fabricação de filmes. É também apresentado no trabalho a fabricação de filmes finos de alginato de cálcio com o spin-coater desenvolvido e, posteriormente, realizada a análise de tais filmes por microscopia de força atômica para obtenção de informações de topografia e de viscoelasticidade. Para isso, foram realizados testes de deposição de filmes em triplicatas utilizando concentrações de alginato de sódio de 1%, 2% e 3%, seguidas de reticulação com cloreto de cálcio (CaCl2) 1%, processo realizado em duas etapas de spin-coating. Com isso, foi possível obter informações dos efeitos das concentrações do filme de alginato nas topografias e rugosidades dos filmes. Foi observado que menores concentrações de alginato resultaram em filmes mais homogêneos. Assim, a concentração de alginato 1% e CaCl2 1% foram selecionadas para os testes subsequentes aplicando diferentes condições de velocidade, tempo e tempo de deposição. A partir de um delineamento experimental (DoE) fatorial completo, foi-se variando os parâmetros de spin-coating para as mesmas concentrações e proporções de material. Com isso, foi possível avaliar as influências da velocidade e do tempo de rotação na rugosidade e distribuição do filme pelo substrato. Nesse sentido, foi observada uma influência mais evidente do tempo de rotação do que da velocidade nas medidas de rugosidade dos filmes. Por fim, foram realizadas comparações e análises do spin-coater desenvolvido com outros equipamentos e estudos semelhantes, onde são listadas as vantagens e desvantagens de cada característica listada, como de tipo de suporte de substrato, opções de controle e outras configurações. Essas características são discutidas levando em consideração o funcionamento das máquinas comerciais e sua acessibilidade no mercado para contextualizar a máquina desenvolvida. No geral, este estudo não apenas ajudou a expandir a compreensão dos processos de fabricação de filmes finos, como também ofereceu uma valiosa perspectiva sobre o desenvolvimento de tecnologias inovadoras e acessíveis neste campo em crescimento.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).Thin films are superficial layers with thickness ranging from a few nanometers to micrometers. Their applications can encompass electronic devices such as transistors and solar cells, the food industry for biopolymeric packaging, smart packaging with customized properties for the product, as well as biomedical applications, enhancing biocompatibility and corrosion resistance on surfaces, as well as for wound care and implants. Understanding the properties of thin films and their production processes is crucial for the development of innovative technologies. Among various deposition techniques for thin film production, spin-coating is considered a fast and easy way to produce homogeneous films. It is performed by spreading a material on a substrate in rotation. In its application, a variety of materials that form films upon drying or solidification can be used, including liquids, suspensions, solutions, or gels. Control over coating density and thickness can be implemented by adjusting the concentration of the deposited material, substrate rotation speed, and time. This study presents the development of a spin-coating equipment with programmable options for acceleration, deposition time, rotation time, and rotation speed. The machine was built using commercial electronic components, 3Dprinted parts, and recycled elements, such as the casing of a stabilizer, a plastic CD case, and a CD-ROM DC motor, significantly reducing its cost. The final prototype of the developed spincoater exhibited functioning compatible with the intended purpose, fulfilling its basic functions as a laboratory film production machine and adding a substrate holder with customized options for different substrate sizes and formats and routine configurations for film manufacturing. The fabrication of thin films of calcium alginate with the developed spin-coater is also presented in the work, followed by the analysis of such films by atomic force microscopy to analyze their characteristics of topography and viscoelasticity. For this, film deposition tests were performed in triplicates using concentrations of sodium alginate of 1%, 2%, and 3%, followed by crosslinking with 1% calcium chloride (CaCl2), a process performed in two spin-coating steps. This allowed obtaining information on the effects of alginate film concentrations on film topographies and roughnesses. It was observed that lower concentrations of alginate resulted in more homogeneous films. Thus, the concentration of 1% alginate and 1% CaCl2 were selected for subsequent tests applying different conditions of speed, time, and deposition time. Through a full factorial experimental design, the spin-coating parameters were varied for the same concentrations and material proportions. This allowed evaluating the influences of speed and rotation time on film roughness and distribution over the substrate. In this regard, a more evident influence of rotation time than speed on the roughness measurements of the films was observed. Finally, comparisons and analyses of the developed spin-coater with other equipment and similar studies were carried out, listing the advantages and disadvantages of each feature, such as substrate support type, control options, and other configurations. These characteristics are discussed considering the operation of commercial machines and their market accessibility to contextualize the developed machine. Overall, this study not only helped to expand the understanding of thin film manufacturing processes but also offered a valuable perspective on the development of innovative and accessible technologies in this growing field.Instituto de Ciências Biológicas (IB)Departamento de Genética e Morfologia (IB GEM)Programa de Pós-Graduação em Nanociência e NanobiotecnologiaSilva, Luciano Paulino daFreire, Alessandra Maia2024-10-24T11:53:26Z2024-10-24T11:53:26Z2024-10-242024-05-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfFREIRE, Alessandra Maia. Desenvolvimento de um spin-coater de baixo custo e avaliação da produção de filmes de alginato. 2024. 113 f., il. Dissertação (Mestrado em Nanociência e Nanobiotecnologia) — Universidade de Brasília, Brasília, 2024.http://repositorio.unb.br/handle/10482/50699porA concessão da licença desta coleção refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições:Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2024-10-24T11:53:27Zoai:repositorio.unb.br:10482/50699Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2024-10-24T11:53:27Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false |
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