Vidros autolimpantes

Você já conhece os vidros autolimpantes? Estes vidros apresentam remoção completa de sujeiras da superfície a partir de dois agentes muito comuns em nosso cotidiano: raios ultravioleta e água da chuva. Para que isso seja possível, os vidros autolimpantes contam com a adição de uma camada externa contendo partículas de dióxido de titânio (TiO2), que age contra os resíduos orgânicos e inorgânicos e não interfere na aparência do vidro, que é mantida idêntica à do vidro convencional.

Para a eliminação das moléculas orgânicas e inorgânicas, a camada contendo dióxido de titânio precisa apresentar duas características: fotocatálise e hidrofilia, respectivamente.  A quebra das moléculas orgânicas ocorre a partir da incidência de raios ultravioleta, que fornecem energia superior à energia de GAP do dióxido de titânio, que é um semicondutor. Assim, elétrons do dióxido de titânio são movidos de sua banda de valência para a banda de condução, e há um movimento de lacunas no sentido contrário.  Na presença de água absorvida na superfície do dióxido de titânio, esse movimento de elétrons e lacunas desencadeia uma reação de oxirredução que irá eliminar as substâncias orgânicas: as lacunas da banda de valência geram radicais hidroxila (OH.), altamente oxidantes, que reagem com os compostos orgânicos, decompondo-os. Ao mesmo tempo, uma reação de redução é desencadeada a partir da reação de um elétron com a molécula de água, formando hidrogênio. Quando a incidência luminosa é cessada, o fotocatalisador retorna a seu estado inicial de inatividade.

esquema de bandas

Estrutura de bandas de um semicondutor, mostrando o fluxo de elétrons e lacunas.

Para efetuar a remoção de poeiras e resíduos inorgânicos, o vidro autolimpante conta com a ação de chuva ou de um jato de água. O produto é hidrofílico, ou seja, absorve bem a água. Assim, diferentemente dos vidros comuns, nos quais ocorreria a formação de gotículas, nos vidros autolimpantes a água escorre uniformemente por toda superfície, garantindo a remoção da sujeira. Além disso, a secagem em vidros hidrofílicos é muito mais veloz e não deixa manchas no vidro. Para garantir o bom funcionamento, o vidro deve ser instalado com inclinação mínima de 10 graus, permitindo bom escoamento da água.

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Comparação entre vidro comum e vidro autolimpante. Fonte: Vidro Mix

Os benefícios dos vidros autolimpantes, além da economia de tempo, são a diminuição da utilização intensiva de detergentes poluidores e da frequência de lavagens, economizando água, diminuindo custos e trabalhando a favor do meio ambiente. Estes vidros podem ser utilizados em todos os ambientes que sofram incidência de radiação solar, mas são recomendados principalmente para locais em que a limpeza dos vidros é difícil, como na fachada de edifícios, ou locais altamente poluídos, como em áreas industriais e aeroportos.

Fontes:

Associação Brasileira de Distribuidores e Processadores de Vidros Planos (Abravidro);

Fotocatalisador;

AEC Web;

Vidro Mix.

Quer saber mais sobre vidros?? Confira alguns de nossos posts:

Vidros eletrocrômicos

Qual é o segredo do Gorilla Glass?

Vidros escorrem ao longo do tempo?

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Supercondutividade cada vez mais próxima da temperatura ambiente

Supercondutores são materiais que apresentam resistência elétrica nula sob determinadas condições externas, normalmente baixas temperaturas e pequenos campos magnéticos. São essas condições restritivas, principalmente a temperatura, que limitam significativamente o desenvolvimento de produtos a partir de supercondutores. Um dos materiais de mais alta temperatura crítica à pressão ambiente, que é a temperatura máxima na qual o supercondutor mantém suas propriedades, é a cerâmica de composição Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8, cuja temperatura crítica é cerca de -135°C. Apesar de extremamente elevada comparada aos supercondutores descobertos inicialmente, cujas temperaturas críticas ficam em torno de -270 a -234°C, essa temperatura ainda é bastante distante da temperatura ambiente, tornando necessário o uso de sistemas de refrigeração, que implicam em alto custo e alto gasto energético para desenvolvimento de produtos a partir de supercondutores. O vídeo abaixo mostra um exemplo de utilização de um supercondutor para o desenvolvimento de um equipamento de lazer, uma espécie de skate denominada Hoverboard. Reparem que é necessária constante emissão de gás para refrigeração do componente, mantendo-o a baixas temperaturas.

Agora imaginem a revolução em nosso cotidiano se fossem descobertos materiais supercondutores à temperatura ambiente! Poderíamos desenvolver mundo afora trens que transitam a altas velocidades sem atritar com os trilhos, poderíamos produzir diversos equipamentos para lazer e componentes com aplicações ainda inimagináveis para nós. Estamos um passo mais próximos desta realidade de supercondução à temperatura ambiente, no entanto apenas para aplicações, em um primeiro momento, em componentes de pequena dimensão, como aqueles presentes na indústria eletrônica. Essa evolução é devido à recente síntese do estaneno, no começo de agosto de 2015, pela equipe de Zhang, através de uma parceria entre China e Estados Unidos. O estaneno é um material semelhante ao grafeno, cuja estrutura é uma folha de átomos de espessura monoatômica, o que implica em um material de duas dimensões. Neste caso, os átomos que compõem esta estrutura são de estanho, diferentemente do grafeno, composto por átomos de carbono. O que torna o estaneno tão interessante é que cálculos físicos teóricos demonstram que ele exibe uma espécie de supercondutividade à temperatura ambiente, que pode ser elevada a até aproximadamente 100°C com a adição de átomos de flúor.

O estaneno não é exatamente um supercondutor, ele é um material denominado isolante topológico. Esta classe de materiais conduz eletricidade através das bordas e superfície do material sem oferecer qualquer resistência , pois a maioria das impurezas presentes não afeta o spin dos elétrons, que são os portadores de carga do sistema, e consequentemente há o desenvolvimento de supercondutividade, pois os elétrons não podem ser atrasados. Este comportamento, no entanto, não é apresentado no interior do material isolante topológico, mas uma vez que o estaneno possui a espessura de um único átomo, ele conseguirá conduzir corrente elétrica com 100% de eficiência. A equipe de Zhang também propôs que telúrio, selênio, antimônio e bismuto poderiam comportar-se como isolantes topológicos, no entanto esse comportamento não ocorre à temperatura ambiente como no estaneno.

Apesar de já sintetizado, até o momento as propriedades do estaneno não puderam ser confirmadas,  pois a síntese só funcionou a partir da deposição de átomos de estanho sobre um substrato de telureto de bismuto, material que interfere nas propriedades do estaneno. Assim, diversas equipes ao redor do mundo continuam suas pesquisas para encontrar formas mais simples e mais efetivas de produzir o material.

estaneno

Vista superior (a) e lateral (b) do estaneno sobre o substrato de telureto de bismuto. Fonte: ZHANG et al, 2015.

Além de dificultar a síntese e processamento, a estrutura bidimensional do estaneno de certa forma limita suas aplicações. As primeiras ideias de utilização para o estaneno é na indústria eletrônica, melhorando significativamente o rendimento de dispositivos como os microprocessadores, por diminuir a dissipação de calor e também a energia consumida pelos mesmos. Futuramente, pensa-se em ampliar a utilização de estaneno para outros componentes de um circuito, possivelmente até substituindo o silício na produção de transistores. Aplicações mais robustas, por enquanto, ainda necessitam da produção de novas tecnologias.. vamos resolver mais este problema, engenheiros de materiais?

Referências:

ASKELAND, D.; PHULÉ, P. “The Science and Engineering of Materials.” Cengage Learning, 2005.

DOE/SLAC National Accelerator Laboratory. “Will 2-D tin be the next super material?.” ScienceDaily. ScienceDaily, 21 November 2013. <www.sciencedaily.com/releases/2013/11/131121135635.htm>.

Estañeno: primeros trabajos para fabricar el nuevo hermano del grafeno

Yong Xu, Binghai Yan, Hai-Jun Zhang, Jing Wang, Gang Xu, Peizhe Tang, Wenhui Duan, Shou-Cheng Zhang. “Epitaxial growth of two-dimensional stanene”. Physical Review Letters (2013), 111, 136804. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.136804

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O metal de 2 bilhões de reais

Quando pensamos em metais preciosos logo nos vêm à cabeça prata, ouro, platina.. Mas o valor econômico desses materiais nem se compara a um metal que você possivelmente nunca ouviu falar: o califórnio, que custa cerca de 2 bilhões de reais por quilograma. No entanto, antes que pensemos em percorrer o mundo à procura de minas de califórnio, é importante saber que esse material é produzido apenas em laboratório, por meio de aceleradores de partículas ou reatores nucleares.

O califórnio, representado pelo símbolo Cf, é radioativo e foi descoberto em 1950 por Thompson, Ghiorso, Street e Seaborg, durante a irradiação e fraccionamento de alguns microgramas de Cúrio 242 utilizando íons de hélio. Durante esse processo, foi detectada uma nova fonte radioativa, que se descobriu ser um novo elemento. Uma vez que a experiência ocorreu na Universidade da Califórnia, o elemento foi batizado de Califórnio, em homenagem ao estado norte-americano.

Apesar de apresentar um custo econômico tão elevado, o elemento é utilizado em várias aplicações, as quais, devido aos custos envolvidos, normalmente são de grande impacto e importância. Outro fator que permite seu uso é o fato de usualmente serem necessárias pequenas massas de califórnio, pois um único micrograma de Cf-252, por exemplo, produz 170 milhões de nêutrons. Assim, a produção média deste material nos anos 2000 encontrava-se próxima a 250 mg por ano. A propriedade de forte emissor de nêutrons permite o uso de compostos de califórnio em dispositivos medidores de umidade por nêutrons, os quais detectam fontes de água e óleo em poços de petróleo. Permite também, através da técnica de ativação de nêutrons, a detecção de minérios de prata e ouro, localização de minas terrestres e de explosivos, uso como fonte de radiação para medicina, no combate ao câncer, e análise da superfície de outros planetas por meio de sondas espaciais. Além disso, o material é uma excelente fonte de nêutrons para reatores nucleares. Outras aplicações interessantes do califórnio são a atuação em detectores de trincas, utilizados por exemplo no monitoramento do tamanho de trinca em estruturas de aviões, evitando que falhem durante o voo, e em detectores de metais, talvez a aplicação mais presente em nosso cotidiano.

Um dos maiores desafios, além da elaboração de técnicas que facilitem a obtenção de califórnio, diminuindo o custo da substância e expandindo suas aplicações, é o isolamento do material na forma metálica. Atualmente, somente alguns compostos foram obtidos e estudados, como óxido de califórnio (Cf2O3), tricloreto de califórnio (CfCl3) e oxicloreto de califórnio (CfOCl).

Fontes:

MARTIN, R. C.; KNAUER, J. B.; BALO, P. A. Production, distribution and applications of californium-252 neutron sources. Applied Radiation and Isotopes, v. 53, n. 4, p. 785-792, 2000.

Ciência e Tecnologias

Quimlab

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MAX Phases – Cerâmicas com propriedades metálicas.

Nunca metais e cerâmicas estiveram tão próximos em comportamento como ocorreu após a síntese dos chamados Max Phases, descobertos na década de 90 e ainda hoje alvo de inúmeros estudos. Esse grupo de carbetos ou nitretos ternários abrange mais de 60 composições, representadas pela fórmula geral M(n+1)AXn, na qual M é um metal de transição, A é um elemento da família A (geralmente IIIA ou IVA), X é Carbono ou Nitrogênio e n é um número  que pode variar de 1 a 3. Esta fórmula geral, que apresenta os elementos M, A e X mencionados anteriormente e mostrados na Figura abaixo, é a razão pela qual o material possui este nome.  A Figura também apresenta as 60 MAX Phases descobertas até então.

Tabela

Fonte: An Introduction to MAX Phases – Prof. Michel Barsoum

Os materiais cerâmicos com que estamos habituados são frágeis, isolantes térmicos e elétricos e apresentam uma plasticidade extremamente baixa, diferentemente das características apresentadas por grande parte dos metais. Assim,  por serem bons condutores térmicos e elétricos (normalmente melhores do que o titânio), apresentarem boa resistência ao choque térmico, boa usinabilidade,  maior tenacidade do que as cerâmicas convencionais, elevada plasticidade a elevadas temperaturas e, em alguns casos, boa resistência à fadiga,  os MAX Phases são considerados verdadeiras pontes entre materiais metálicos e cerâmicos.  Outras propriedades comuns e de grande interesse tecnológico presentes nesses carbetos e nitretos ternários são o baixo peso, resistência à fluência e à corrosão e coeficientes de expansão térmicas relativamente baixos.

Devido às suas propriedades, as aplicações dos MAX Phases envolvem principalmente situações em elevadas temperaturas, como bicos queimadores de gás, refratários dúcteis e usináveis ou também componentes resistentes à irradiação de nêutrons na indústria nuclear, recobrimento para contatos elétricos e utensílios de cozinha antiaderentes.  No entanto o uso deste grupo de materiais ainda não é tão difundido devido ao alto custo. Como são processados normalmente a partir de pós  elementares ou de carbetos binários,  o preço final desses materiais é extremamente dependente do preço dessas matérias primas, e apresenta-se em torno de 500 dólares por quilograma. Ao final do processamento, os MAX Phases podem ser obtidos na forma de pó, espumas, filmes finos, revestimento ou em sólidos que serão posteriormente trabalhados para adquirir a geometria dos componentes desejados. É esperado que com o desenvolvimento tecnológico e com o aumento da demanda futura para os MAX Phases, sejam desenvolvidas novas formas de síntese a partir de pós de menor custo, aumentando a competitividade da classe de materiais.

Fontes:

An Introduction to MAX Phases;

MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics.

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Já conhece os polímeros que mudam de cor com a temperatura?

É cada vez mais comum e mais acessível a utilização em nosso cotidiano de materiais que sofrem uma alteração de cor estimulada por fatores externos, nos proporcionando conforto, aumentando a confiabilidade de produtos, melhorando aspectos estéticos ou mesmo a segurança de  componentes que compramos, etc.  Os materiais desta classe podem ser influenciados pela aplicação de pressão (piezocromismo), voltagem (eletrocromismo, lembram dos vidros que protegem os olhos de motoristas contra luz alta de faróis?), luz (fotocromismo) ou temperatura (termocromismo). O último desses fatores será o tema de nossa publicação de hoje:  termocromismo em polímeros!

termocromismo

Fonte: Diseño de Interiores.

Os polímeros termocrômicos nem sempre apresentam esta propriedade quando se encontram em seus estados naturais, algumas vezes essa característica é proveniente da interação deste material com aditivos. Sendo assim, a origem do termocromismo pode ser proveniente de três fatores, culminando em três classes de materiais: A primeira delas representa os polímeros que possuem intrinsecamente a característica de variação da coloração com a temperatura. A segunda, é aquela em que esta propriedade é proveniente dos pigmentos termocrômicos adicionados ao polímero, e não propriamente deste material. Por fim, a terceira classe apresenta característica termocrômica proveniente de uma interação físico-quimica entre matriz polimérica e aditivos, fazendo com que as propriedades termocrômicas sejam causadas pelo design do material , pois nenhuma destas substâncias apresenta o efeito separadamente.

Os aditivos mais comumente utilizados para conferir termocromismo a uma matriz polimérica são os corantes leucos. Estas substâncias normalmente são coloridas no estado sólido e incolores no estado líquido. Em outras palavras, sua cor é dependente da temperatura, tornando o aditivo uma substância termocrômica. O uso deste tipo de aditivo, no entanto, apresenta problemas de rápido envelhecimento, provocando um desbotamento da cor e limitando o tempo de vida do produto. Além disso, grande parte dos sistemas com corantes leucos pode conter bisfenol A, derivados de diazapentaleno, polidiacetilenos ou politiofenos, substâncias tóxicas que impedem a aplicação dos produtos nas áreas da saúde e alimentícia. Assim, por razão de grande parte dos materiais termocrômicos conhecidos ser tóxico ou carcinogênico, busca-se cada vez mais a pesquisa e o desenvolvimento de polímeros pertencentes à terceira classe, na qual a alteração de cor é efeito da interação entre duas substâncias não termocrômicas.  Não serão abordados os mecanismos de fabricação destes materiais devido à variedade de interações existentes e a complexidade das mesmas, mas basicamente as espessuras entre camadas compostas por diferentes materiais, distância entre partículas e também o índice de refração de cada componente são fatores que alteram a cor refletida, observada pelo olho humano. Assim, são utilizados artifícios para que estes fatores dependam da temperatura e consequentemente a cor do material também seja função da temperatura.

Em 2013, os alemães Seeboth, Lötzsch e Ruhmann descobriram que o uso de antocianidinas, substâncias naturais responsáveis pela coloração de diversas flores e frutos, poderia alcançar pela primeira vez efeitos termocrômicos sem o uso de substâncias tóxicas e carcinogênicas como aditivos termocrômicos. Como pode ser observado, o termocromismo é uma área que vem progredindo bastante nas últimas décadas. Parte dessa dedicação é estimulada por todas as aplicações que este tipo de material pode ter, como pulseiras que mudam de cor, indicando febre em humanos (principalmente em bebês, os quais são mais vulneráveis); embalagem de alimentos, indicando ao consumidor se aquele produto foi mantido em condições adequadas de temperatura para que seu consumo seja confiável; Revestimento para bolsas de sangue, informando se o mesmo foi mantido em condições de temperatura adequadas para sua conservação; Aplicações na indústria de tintas, comésticos e tecidos devido aos interessantes aspectos estéticos; Fabricação de brinquedos que mudam de cor, prendendo a atenção dos pequenos;  Usos em sistemas de segurança residenciais, utilizando como princípio alterações de temperatura.

Polímero que apresenta termocromismo.

Tendo em vista o avanço das últimas décadas de estudos, poderemos em breve ver diversos produtos com polímeros termocrômicos em nossas prateleiras.

Referências:

SEEBOTH, A.; LÖTZSCH, D.; RUHMANN,R.; MUEHLING, O. Thermochromic Polymers – Function by Design, Chemical Reviews, 2014, 114, 5, 3037;

SEEBOTH, A.; LÖTZSCH, D.; RUHMANN,R. First example of a non-toxic thermochromic polymer material – based on a novel mechanism. J. Mater. Chem. C, 2013, 1, 2811;

Investigadores portugueses desenvolvem pulseira para detectar febre em bebês;

Tinta Termocrômica;

Têxteis Inteligentes.

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Kevlar – o polímero mais resistente do que aço.

Hoje falaremos sobre um polímero bastante especial, o Kevlar.  Este polímero enquadra-se no grupo de poliaramidas,  nome proveniente de três diferentes conceitos: poli, que significa muitos e refere-se ao grande número de repetições de uma mesma unidade estrutural – ou monômero – para formação das cadeias poliméricas;  ar de aromático, visto que a estrutura do Kevlar contém diversos anéis benzênicos; e amida, devido à presença desta função orgânica interconectando os anéis benzênicos na estrutura polimérica.

cadeias kevlar

Cadeias de Kevlar.  Fonte: Oficina da Web.

O Kevlar destaca-se por apresentar interessantes propriedades, tais quais resistência à corrosão e ao calor, baixo peso, manutenção de suas propriedades mesmo quando utilizado a baixas temperaturas, elevado módulo de elasticidade, grande resistência ao impacto e elevada resistência mecânica – o Kevlar é cerca de 7x mais resistente do que o aço por unidade de peso. Considerando que o Kevlar apresenta tamanha resistência, por que o polímero não é utilizado como componente estrutural de pontes, edifícios e demais obras da construção civil, mas sim o aço? Porque diferentemente do aço, o Kevlar apresenta baixa resistência à compressão, e esse tipo de solicitação é bastante comum nas estruturas mencionadas.

Ainda assim, as propriedades do Kevlar permitem aplicações surpreendentes. A mais famosa delas é o uso deste material como matéria-prima para coletes à prova de balas. Nesse caso, o polímero é produzido na forma de fios através de um processo denominado “air gap wet spinning”, no qual uma solução concentrada de Kevlar, muito quente e viscosa, é forçada através dos pequenos furos de um spinneret (espécie de fiandeira). Em seguida, a solução passa por uma cortina de ar e entra em um banho de coagulação, no qual o solvente é extraído e as fibras solidificam-se. Por fim, ocorre o bobinamento das fibras obtidas, as quais serão posteriormente tecidas e originarão os coletes, que terão resistência proporcional à quantidade de camadas utilizadas para sua confecção. O processo é mostrado no vídeo abaixo, no entanto o material processado é o Vinyon e não há a presença de cortina de ar. Convém destacar também que é utilizada uma solução de Kevlar para o processamento, na qual o polímero é misturado a um solvente, em vez de utilizar o material no estado fundido. Isso deve-se ao fato de que o Kevlar não é fusível, ou seja, quando aquecido o material sofre o fenômeno de decomposição, e não de fusão.

http://https://www.youtube.com/watch?v=ngEZMFaIrGE

O princípio de funcionamento de um colete à prova de balas é semelhante ao funcionamento de um brinquedo muito amado pelas crianças, a cama elástica. Quando o projétil entra em contato com o colete, as fibras de Kevlar absorvem parte da energia proveniente da colisão e a dissipam, o que normalmente é capaz de proteger o indivíduo atingido.  A absorção de energia é proveniente tanto da elevada resistência ao impacto do polímero quanto da forma com que as fibras são organizadas, tornando extremamente difícil separá-las. No entanto, algumas vezes a energia restante, destinada à pessoa atingida, ainda é capaz de feri-la fatalmente.

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Colete à prova de balas feito de Kevlar – Fonte: Wise Geek.

Outros usos do Kevlar, segundo a própria DuPont, fabricante do material, é em pistas de esqui, nas trilhas em ziguezague, em terrenos desérticos exigentes e até mesmo no espaço. Além disso, o polímero pode ser utilizado para forrar o compartimento do motor de aviões,  para a fabricação de raquetes de tênis, composição de alguns pneus e capacetes, capas de celulares, ou mesmo em abrigos para proteção contra tornados. A versatilidade deste material é inquestionável!

Fontes:

Mundo Educação;

Tecmundo;

Explain that Stuff;

Wise Geek;

DuPont;

Oficina da Web;

Gateway Coalition.

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Alotropia e sua importância na engenharia de materiais

Olá galera,

O tema de hoje é alotropia, ou seja, a capacidade de um elemento químico formar diferentes substâncias simples. Essas substâncias, denominadas formas alotrópicas, diferem-se entre si  no que diz respeito a suas estruturas cristalinas ou atomicidade e, por causa desses fatores que podem parecer apenas detalhes, as características e propriedades das substâncias em questão podem ser tornar completamente diferentes.

Um exemplo de elemento químico que sofre alotropia é o estanho:  Ele pode se organizar em uma estrutura tetragonal de corpo centrado (imagem à esquerda), denominado estanho branco ou em uma estrutura cúbica semelhante à do diamante (imagem à direita), caracterizando o estanho cinza.

estruturas estanho

Estruturas cristalinas das formas alotrópicas do estanho. Adaptado de: Os alótropos do estanho.

A transformação de estanho branco em cinza leva a uma expansão no volume em aproximadamente 27%, culminando na desintegração do material. Apesar de a temperatura de transição ser 13,2°C, a transformação de forma alotrópica acontece a uma taxa muito lenta em condições normais de temperatura, então o fenômeno pode de certa forma ser desprezado. No entanto, a utilização de estanho em regiões de frio extremo pode ter resultados dramáticos, caso sua transformação alotrópica não seja lembrada, como aconteceu em 1812 na Rússia. Naquele ano, houve um inverno bastante rigoroso, com um período longo de temperaturas bastante baixas, assim a taxa de transformação de estanho branco em estanho cinza, mais estável em temperaturas abaixo de 13,2°C do que a primeira substância,  foi rápida o suficiente para que seus efeitos pudessem ser sentidos. As consequências? Durante o inverno daquele ano aconteciam as invasões Napoleônicas na Rússia e exatamente no período em que os soldados deveriam estar mais agasalhados, os botões de seus uniformes esfarelaram-se e desfizeram-se em pedaços. Há historiadores que dizem que este foi um dos principais motivos a contribuir para a derrota de Napoleão Bonaparte. Além disso alguns tubos de órgãos de igrejas também foram destruídos por essa transformação. Devido a esses casos, a transição alotrópica do estanho chegou a inclusive ser batizada como “doença do estanho”.

fases alotropicas

Estanho branco (acima) e estanho cinza (abaixo). Fonte: CALLISTER

Outro elemento que possui alotropia é o ferro, o qual é o principal elemento a compor o aço, um dos materiais mais utilizados no meio industrial, construção civil e mais presentes no dia-a-dia dos engenheiros de materiais. Portanto, conhecer as transformações alotrópicas do ferro e saber explorá-las é de extrema importância.

Primeiramente, as transformações alotrópicas do ferro ocorrem a temperaturas muito superiores à temperatura ambiente (910°C e 1400°C), de forma com que devam ser compreendidas não para evitar problemas, como no caso do estanho, mas sim para compreender como processar o material de forma a atingir as propriedades que lhe são requisitadas.

alotropia do ferro

Fases alotrópicas do ferro e suas temperaturas de estabilidade. Fonte: Ciência dos Materiais

A partir da Figura acima, verifica-se que a temperaturas abaixo de 910°C, o ferro apresenta estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC), denominado ferro α. Acima dessa temperatura, ocorre a transição para uma fase γ de estrutura cúbica de faces centradas (CFC), alterando o comportamento do ferro. Continuando o aquecimento do ferro γ, atinge-se uma temperatura (1400°C) na qual esta deixa de ser a fase mais estável termodinamicamente, dando lugar ao ferro δ, que é estável até 1539°C, temperatura na qual torna-se líquido.  A transição mais estudada e de maior importância é a de ferro α para γ. Analisando-se as características de cada uma dessas fases, constatou-se que o ferro γ apresenta uma solubilidade muito maior de carbono do que o α. A partir desse conhecimento, pensou-se em utilizar o ferro γ para fazer aços com maiores teores de carbono, pois seria possível dissolver esse elemento em quantidades superiores ao que seria possível em ferro α.  Você pode estar se perguntando, por que dissolver carbono no ferro γ se ao resfriar o material à temperatura ambiente esse carbono não será mais solúvel na fase α e vai se precipitar no ferro?  Na verdade esse resfriamento até a temperatura ambiente é feito de maneira bastante rápida e, dessa forma, o carbono continua dissolvido na matriz, pois não tem tempo de sair dos interstícios da rede composta por átomos de ferro. O resultado é um aço com novas propriedades, por exemplo maior resistência mecânica e dureza e que possui uma rede cúbica de corpo centrado distorcida pela presença de uma quantidade excessiva de carbono, a chamada estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC). Esse aço é denominado de martensítico.

estruturas aço

Estruturas cristalinas CCC, CFC e TCC, respectivamente. Adaptado de: Princípios de Tratamentos Térmicos em Aços e Ferros Fundidos.

Outras propriedades que merecem destaque na austenita (ferro γ + carbono), é que possui menor dureza em relação à ferrita (ferro α + carbono), apresenta grande resistência ao desgaste, é magnética, e é o constituinte mais denso dos aços. Caso deseje-se um material com alguma dessas características, é possível fazer algo para manter a austenita mais estável do que a ferrita à temperatura ambiente? Sim! Por meio da adição de elementos de liga, por exemplo, os quais podem mudar a temperatura de transição de fases para uma temperatura superior ou inferior à original, favorecendo a formação de um tipo de fase ou de outro em uma determinada temperatura. O próprio carbono dos aços abaixa essa temperatura de transição α-γ de 910°C para aproximadamente 723°C.

A partir dos casos mencionados, verifica-se que um bom engenheiro de materiais deve conhecer um pouco sobre a alotropia dos elementos químicos com que trabalha para poder explorar suas propriedades ou prever possíveis desastres. Os elementos estanho e ferro foram selecionados para esse post por entender-se que teriam maior impacto no âmbito da engenharia de materiais, no entanto elementos como carbono, enxofre, fósforo e oxigênio também sofrem alotropia e fica como sugestão a leitura sobre esses casos.

Fontes:

CALLISTER, William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, c2008. xx, 705 p.;

Constituintes estruturais de equilíbrio dos aços;

Ciência dos Materiais;

Os alótropos do estanho.

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Vidros eletrocrômicos

Materiais eletrocrômicos possuem a interessante propriedade de alterar sua cor a partir da incidência de uma diferença de potencial. Assim, ao modificar a tensão aplicada sobre eles, é possível controlar seu grau de transparência e, consequentemente, o grau de transmissão que determinadas radiações do espectro eletromagnético terão através desses materiais.  É nesse contexto que surgem os vidros eletrocrômicos, os quais, somente com o apertar de um botão, proporcionam um controle das intensidades de luz e radiações como ultravioleta e infravermelho transmitidas, garantindo inúmeros benefícios a seus usuários. Janelas feitas dessa classe de vidros, por exemplo, permitem um aumento no conforto visual, uma vez que a transmissão de luz pode ser diminuída nos períodos em que há luminosidade excessiva proveniente do ambiente externo ou intensificada de maneira a maximizar o aproveitamento da luminosidade externa quando ela não for mais incômoda. Outra vantagem é a economia de energia, visto que no verão a passagem elevada de ondas de infravermelho através dos vidros de janela causa um aumento da temperatura do ambiente interno. Se a intensidade dessas ondas for diminuída, diminui também a energia utilizada por ares-condicionados para manter amena a temperatura da sala. Por outro lado, no inverno é possível maximizar o aproveitamento da radiação solar para o aquecimento do ambiente. Outra aplicação bastante interessante desses materiais é em retrovisores veiculares, pois permitem proteger o motorista da incidência de luz alta e consequentemente melhorar segurança nas estradas.

vidro-eletrocromico

Janelas feitas com vidros eletrocrômicos.

Como funcionam os vidros eletrocrômicos? Na verdade, os vidros utilizados possuem composição química semelhante a vidros comuns e não apresentam propriedades eletrocrômicas. O segredo desses dispositivos está em recobrir os vidros por filmes finos e transparentes, normalmente compostos por metais de transição, como óxido de estanho dopado com óxido de índio (SnO2-InO2), trióxido de tungstênio (WO3) ou pentóxido de nióbio (Nb2O5). São esses compostos que, através de mudanças  em seu estado de oxidação, apresentarão alteração de coloração. Os vidros recobertos serão separados por um eletrólito e farão o papel de eletrodos, sendo ligados a uma bateria. Assim, ocorre a formação de uma célula eletroquímica, denominada “vidro eletrocrômico”, o qual apresenta  variação de sua coloração e transmissividade com a aplicação de uma  diferença de potencial.

Mais informações em:

Vidro eletrocrômico é alternativa para segurança e economia de energia;

Electrochromic glass;

Uma visão das tendências e perspectivas em eletrocromismo.

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Vantablack – o material quase invisível!

A visão, um dos mais importantes sentidos humanos, consiste na detecção da luz refletida por determinado objeto. Assim, se um objeto absorve todo o espectro luminoso, exceto a cor verde, vemos este na cor verde. Mas o que aconteceria se um objeto absorvesse toda a luz que nele é emitida? Não poderíamos enxergá-lo!

O senso comum trata a cor preta como ausência de luz, mas nem mesmo os objetos pretos absorvem toda a luz neles incidente e, por essa razão, conseguimos enxergá-los. Segundo o professor da Leeds University, Stephen Westland “A menos que você já tenha olhado para um buraco negro, nunca viu algo que realmente não refletisse luz.”.

Em meio a esse contexto, a descoberta do Vantablack pela empresa britânica Surrey Nanosystems é de grande impacto no mundo tecnológico atual.  O material, considerado o mais preto do mundo, reflete somente 0,035% da luz visível. O fenômeno ocorre porque o Vantablack é feito a partir de um emaranhado de nanotubos de carbono, os quais são cerca de 10 mil vezes mais finos do que um fio de cabelo humano, tão pequenos que não permitem que a luz entre em seu interior. Dessa forma, a luz incidente no material passa pelos espaços entre os nanotubos e é refletida inúmeras vezes no interior do material, até que seja absorvida. “Esse novo material é mais próximo a um buraco negro do que conseguimos imaginar”, menciona Stephen Westland. O Vantablack é considerado tão escuro que não permite que os olhos humanos detectem relevos e contornos em sua superfície, mas apenas um aparente abismo, como mostra a imagem.

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Revestimento de Vantablack sobre uma folha amassada de alumínio. Fonte: Surrey Nanosystems

“Você espera ver as dobraduras e tudo que você pode ver é algo preto, como um buraco, como não se não houvesse nada lá. É bem estranho”, comenta Ben Jensen, diretor técnico da Surrey Nanosystems, a respeito da imagem divulgada pela empresa.

As aplicações desse material ainda estão sendo estudadas, mas já sabe-se que poderão ser utilizados em câmeras astronômicas, telescópios e sistemas de digitalização de infravermelho. Há também a possibilidade de aplicações militares para o material, sobre as quais a Surrey Nanosystems prefere não dar maiores detalhes.

Leia mais sobre o Vantablack em:

Surrey NanoSystems has “super black” material;

Blackest is the new black: Scientists develop a material so dark that you can’t see it;

Pesquisadores criam material tão preto que se torna invisível;

Conheça o Vantablack, o material mais escuro do mundo.

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Vidros escorrem?

Os vitrais, tão comuns nas catedrais europeias construídas na idade média, chamaram a atenção da comunidade não somente por sua beleza, mas também por uma interessante peculiaridade: A extremidade inferior dos antigos vidros que os formavam era mais espessa do que no restante do material.

Vitral datado do século XIV – Catedral de Troyes – França

Esse fenômeno pode ser explicado porque o vidro provavelmente escoou ao longo dos anos, aglomerando-se na extremidade inferior, certo? Errado!

A explicação acima é uma famosa crença popular, a qual afirma que os vidros escoam com o passar dos anos, comportando-se como líquidos, mas com uma viscosidade suficientemente elevada para que não possamos notar os sinais de escoamento em um curto período de tempo. Isso explicaria o porquê da característica dos vidros de catedral, já que permanecem na posição vertical durante séculos, tempo suficiente para que o escoamento se manifestasse. A história é tão convincente que, durante anos, foi tida como verdade não só pelo senso comum, mas também por diversos cientistas.  A justificativa é que os vidros possuem estrutura amorfa, diferentemente da grande maioria dos outros sólidos. Nesse aspecto, os vidros assemelham-se a líquidos, já que compartilham da mesma organização estrutural (amorfa). Assim, surgiu a crença de que vidros e líquidos possuiriam propriedades semelhantes. No entanto, existem duas características comuns a todos os líquidos, as quais não são apresentadas por vidros:

– Capacidade de adquirir a forma dos meios que o contém;

– Capilaridade ( propriedade que permite com que líquidos subam em tubos).

As características de vidros e líquidos diferem basicamente devido a forças internas. Os líquidos fluem devido à ausência de forças significativas entre suas moléculas, possibilitando que elas se movimentem facilmente. Contudo, nos vidros os átomos são unidos por ligações químicas muito fortes, tornando-os tão rígidos que não podem fluir na temperatura ambiente. Em outras palavras, vidros são sólidos que conservaram o mesmo arranjo molecular que apresentavam quando encontravam-se líquidos,  mas essa semelhança do ponto de vista de organização dos átomos não pode ser estendida às propriedades desses materiais, uma vez que apresentam interações químicas bastante diferentes em suas estruturas.

Sabendo disso, imagina-se que os vidros não necessariamente devem escoar ao longo do tempo, como os líquidos, mas a crença que explicava o aumento de espessura nos vidros de catedral só pôde de fato ser descartada quando comprovou-se matematicamente sua impossibilidade. Cientistas calcularam o escoamento de vidros na temperatura ambiente e verificaram que este é insignificante a ponto de que para que notarmos qualquer alteração, precisaríamos esperar trilhões de anos (mais do que a idade do universo, a qual é estimada em cerca de 13 bilhões de anos). Dessa forma, é impossível que os vidros das catedrais, que são do milênio passado, houvessem sofrido qualquer alteração que pudesse sequer ser medida, quanto mais observada a olho nu.

Mas então qual a explicação científica para a diferença de espessura ao longo dos vidros das catedrais?

O método de fabricação dos componentes!

A técnica de flotação de vidros, utilizada atualmente para fabricação de vidros planos permite com que esses sejam obtidos com boa qualidade e espessura homogênea. No entanto, os vidros planos na época medieval eram feitos por sopro e então forçadamente esticados através da ação de cilindros (método do cilindro) ou de força centrífuga, através da rotação do vidro em torno de um eixo (método do disco). Os vidros planos obtidos por esses métodos frequentemente apresentavam defeitos de ondulações e espessura heterogênea.

metodo disco

 Esquema de fabricação de vidros planos pelo método do disco.

Por essa razão, os vidros de catedral apresentavam maior espessura em sua base: eles jamais foram perfeitamente planos como inicialmente imaginava-se, mas sim heterogêneos devido ao método de processamento do vidro.

Mais informações disponíveis em:

Corning Museum of Glass

Do cathedral glasses flow?

Projeto Ockham

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