Materiais fundamentais para a tecnologia Laser – Parte I, Fundamentos básicos

Você certamente já ouviu falar de laser; ele está totalmente presente direta e indiretamente em nossa vida – em cirurgias, em procedimentos de estética, em produtos que consumimos que são soldados, cortados, revestidos, marcados ou tratados termicamente por meio dele, em leitores de código de barra, brinquedos, leitores de CD e DVD e etc. O laser é muito estudado por nós da engenharia de materiais no que diz respeito a parâmetros, influência do laser sobre materiais e como ele modifica suas propriedades devido ao efeito térmico, ou seja, a abordagem é mais direcionada ao processo. Mas você já parou para pensar que para produzir o laser em si também há muito estudo na nossa área? Isso porque os materiais ali aplicados são muito especiais, como veremos depois de compreender melhor o princípio básico por trás do funcionamento de um laser.

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Design inverso – a nova abordagem para o desenvolvimento de materiais

A sociedade moderna possui metas cada vez mais dependentes de propriedades específicas de materiais. Queremos baterias cada vez mais eficientes para nossos carros e smartphones, necessitando de um material com elevada densidade de energia. Queremos matrizes energéticas mais sustentáveis, exigindo, por exemplo, materiais que sejam mais eficientes na conversão de luz solar para energia elétrica e assim por diante. Propriedades tão específicas são normalmente encontradas em apenas um seleto grupo de materiais, que muitas vezes nem sequer foram descobertos ainda. A partir do fato de que frequentemente conhecemos a necessidade, a propriedade alvo desejada, mas não o material que a possua, uma nova abordagem para a engenharia de materiais foi desenvolvida: o design inverso.

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A verdade por trás do naufrágio do Titanic

Quando fabricado, entre os anos 1911 e 1912, o Titanic era dito impossível de afundar. Uma obra-prima de engenharia na época, o navio era projetado para continuar navegando mesmo que 4 de seus 16 compartimentos estanques tivessem problemas e fossem tomados pelo mar. Após colidir com um iceberg, a embarcação, no entanto, teve 6 de seus compartimentos abertos, não pôde resistir e afundou. Teorias foram desenvolvidas para explicar o fato:  o casco do navio estava fragilizado por conta das baixas temperaturas do Atlântico norte? Um submarino alemão atacou o navio? Ou seria a parte submersa do iceberg tão imensa que o navio não pode resistir ao impacto? Após a descoberta do local em que o navio estava submerso, em 1985, diversas expedições foram enviadas ao local para realizar estudos de análise de falhas e, então, tentar obter uma resposta. Esta finalmente veio à tona em 2008, após quase um século de especulações sobre o que teria causado esse tão famoso caso de falha de engenharia.

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Nanofibras

Você sabe para que servem as nanofibras e como são produzidas? Esses filamentos poliméricos de centenas de nanômetros de diâmetro apresentam elevada proporção área de superfície por volume. Assim, esse tipo de material é usado comumente em aplicações que tirem vantagem dessa propriedade, como filtragem de ar e água, catálise de reações e produção e armazenamento energético, como em painéis solares e baterias. Além disso, são utilizadas na biomedicina, auxiliando na reconstrução de tecidos e também no transporte de medicamentos dentro de nosso corpo, na fabricação de roupas, ou também em estruturas que exijam uma elevada resistência mecânica e peso reduzido, como armaduras corporais.

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Aços com elevada resistência ao desgaste

Um dos maiores problemas nas indústrias, independente do ramo, costuma ser o desgaste de peças e equipamentos.  Ele ocorre quando essas estruturas estão em movimento, como por exemplo em eixos, válvulas, engrenagens, matrizes e pistões. Como consequência do desgaste de materiais, grandes custos com manutenção ocorrem na indústria, tornando-se muitas vezes mais interessante economicamente investir em materiais especiais que possuam excelente resistência ao desgaste.

Um famoso exemplo de material com essa propriedade é o aço Hadfield. Trata-se de um aço-manganês austenítico que tira proveito da metaestabilidade de sua austenita para que, durante o uso, possa transformar sua microestrutura. Assim, o aço torna-se mais resistente contra a ação do desgaste à medida que ele ocorre, aumentando a durabilidade da estrutura.

Como funciona o mecanismo chave por trás desse grupo de materiais?

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Hidrogéis na biomedicina

Os seres humanos possuem tecnologia suficiente para fazer coisas incríveis, tais como ir para o espaço, visitar as profundezas do oceano, construir arranha-céus imensos. No entanto, apesar do progresso alcançado, ainda há coisas totalmente rotineiras na vida humana que estão longe de ser totalmente compreendidas e manipuladas, uma delas é o nosso próprio corpo.  Assim como as áreas da saúde e da biologia, a engenharia de materiais também possui uma contribuição enorme para manter nossos sistemas em bom funcionamento e ajudar-nos a lidar com os efeitos do envelhecimento.  Este é atualmente um dos principais desafios da área: compreender como são os materiais encontrados em nosso corpo e como imitá-los ou estimulá-los. Servindo de inspiração, o tema abordado hoje será uma alternativa para lidar com a artrite, problema de saúde cada vez mais recorrente com o envelhecimento da população.

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Versatilidade das vitrocerâmicas

Em algumas situações determinados componentes podem sofrer variações de temperatura gigantescos e/ou recorrentes. É o caso de equipamentos que se encontram no espaço, onde as temperaturas variam de muito frias para tórridas, é o caso de produtos utilizados na fundição de metais, onde um material a temperatura ambiente pode entrar em contato em questão de segundos com metais às vezes a mais de 1500°C, é o caso de fogões e fornos, onde a temperatura varia bastante e com muita frequência. Em situações como essas, apresentar um baixo coeficiente de expansão térmica é vital para que um material possa ser empregado como matéria-prima do produto a ser desenvolvido. Assim sendo, hoje falaremos um pouco sobre um grupo de materiais extremamente versátil no que diz respeito a coeficientes de expansão térmica: as vitrocerâmicas – que podem apresentar não somente coeficientes extremamente pequenos, como também negativos.

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Minério permite que eletricidade seja produzida a partir de luz solar, calor e movimento ao mesmo tempo

Cada vez mais se ouve falar da importância de fontes de energia renováveis e investe-se mais intensamente em pesquisas sobre esse tema. Recentemente, uma interessante descoberta chamou a atenção do meio científico: um mineral que seria capaz de extrair energia para a produção de eletricidade a partir de diversas fontes – e ao mesmo tempo! Descoberto por cientistas da Universidade de Oulu (Finlândia), o minério denominado KBNNO é capaz de transformar luz solar, energia cinética e calor em eletricidade. Continue reading Minério permite que eletricidade seja produzida a partir de luz solar, calor e movimento ao mesmo tempo

Feixe de íon focalizado: Como funciona essa técnica de análise de materiais

As técnicas de microscopia eletrônica são bastante populares em termos de análise de materiais, principalmente por alcançarem grandes ampliações, o que permite com que possamos enxergar minuciosos detalhes de um material. Durante esse tipo de análise, o material é bombardeado por um feixe de elétrons e os diferentes produtos da interação elétron-material, tais como elétrons retroespalhados, elétrons secundários e raios-X, são analisados. A partir dessas diferentes fontes, podemos então obter importantes informações sobre o material em questão. Elétrons não são, no entanto, as únicas partículas que podem ser aceleradas e focadas por campos elétricos e magnéticos, mas também íons. Com sua massa incrivelmente maior do que a pequeníssima massa de um elétron (o íon mais leve, H+, tem massa 1836 vezes superior a um elétron), os íons são capazes não somente de interagir com o material e gerar importantes fontes de informação sobre sua topografia e composição química, mas também de usiná-lo. É essa técnica, conhecida por Feixe de íon focalizado ou FIB (do inglês focused ion beam), que apresentaremos hoje.

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Rugosidade de uma superfície

Você sabia que por mais planas e polidas que duas superfícies pareçam ser, elas não estarão 100% em contato se colocadas uma contra a outra? Isso acontece porque na realidade a superfície de um material é composta por diversos picos e vales, que constituem o que é conhecido como rugosidade. Assim, quando encostadas, apenas pequenas áreas das superfícies estão de fato em contato umas com as outras (área de contato real), o que é muito menor do que a área que imaginamos estar em contato observando os materiais a olho nu (área de contato aparente).

superficie

Figura mostrando a área de contato aparente entre duas peças planas (direita) e uma aproximação da região de interface entre as mesmas (esquerda), evidenciando a área de contato real.

Uma superfície é na realidade composta por três componentes: forma, ondulação Continue reading Rugosidade de uma superfície