Bioplásticos

Na era atual, em que se recorre cada vez mais a matérias-primas de fonte renovável, uma classe de polímeros torna-se bastante promissora: Os bioplásticos. Diversos fatores tornam estes materiais especiais, seja por demandarem bem menos energia na sua produção, serem recicláveis, absorverem gás carbônico ou ainda, em sua maioria, serem biodegradáveis e compostáveis.  A absorção de gás carbônico por meio destes polímeros está relacionada à fotossíntese dos produtos agrícolas usados em suas composições, que podem ser cana-de-açúcar, batata, mandioca, babaçu, milho, etc. Isto permite a absorção de 2 a 2,5 kg de CO2 para cada quilo de polímero produzido, enquanto o plástico convencional produz cerca de 6kg de CO2 por quilo. Agora que já sabemos sobre suas vantagens, vamos conhecer um pouco mais sobre os bioplásticos.

Um dos grandes nomes no ramo de bioplásticos no Brasil é o engenheiro de materiais João Carlos de Godoy Moreira, o qual, junto com pesquisadores da USP – São Carlos, contribuiu bastante para o conhecimento sobre biopolímeros à base de amido.  Vejam que o amido por si só já é um polímero natural, como mostra a Figura:

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Estrutura do amido.

Assim, se submetido a alterações de pressão e temperatura, o amido tradicional pode ser transformado em amido termoplástico, que é vendido na forma de pellets, como estes que vemos abaixo:

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Pellets de termoplásticos de amido. De cima para baixo: cana-de-açúcar, milho, batata e mandioca. Fonte: Biomater

Já é possível encontrar no mercado produtos feitos a partir de biopolímeros, tais como bandejas e copos descartáveis de fécula de mandioca, um substituinte para o isopor feito a partir de cogumelo (que mencionamos nesta publicação) ou saquinhos de polietileno verde, feitos de etanol de cana-de-açúcar, que muitos de vocês já devem ter visto no supermercado na hora de embalar frutas e legumes.  O polietileno verde mantém as mesmas propriedades do polietileno tradicional e ambos podem ser reciclados dentro da mesma cadeia de reciclagem. No entanto, o fato de ser proveniente de fonte renovável, não faz do PE verde biodegradável. Apenas 70% dos bioplásticos são de fato biodegradáveis, levando em média 180 dias para efetuar a completa decomposição.

Verifiquem na hora de escolher os produtos que irão consumir: Os bioplásticos são mais benéficos ao planeta do que os plásticos convencionais, mas são ainda melhores quando são compostáveis. Isto porque os polímeros compostáveis não somente são biodegradáveis como também liberam muitos nutrientes benéficos ao solo, gerando um grande círculo virtuoso. Em outras palavras, o plástico é produzido, consumido e coletado, em seguida retorna ao solo, fertiliza-o e dá-se origem a novas plantações de matéria-prima para bioplásticos, que por sua vez transformam-se em mais deste material e o ciclo é reiniciado. Assim, esta categoria de bioplásticos além de apresentar todas as vantagens já mencionadas, ainda auxilia no combate à deposição excessiva de plástico em nossos aterros sanitários.

Para finalizar, observem que infelizmente produtos como o polietileno verde, os copos e bandejas de fécula de mandioca ou mesmo os pellets de termoplásticos de amido ainda não dominam o mercado, apesar de vantajosos em muitos aspectos.

Por que isto acontece?

Ainda há algumas limitações quanto à produção de bioplásticos, por exemplo a necessidade de mais pesquisa para o aprimoramento desta classe de materiais e os preços mais elevados em relação aos polímeros provenientes de matéria-prima fóssil convencional.

Assim, cabe a nós, consumidores conscientes, refletirmos mais sobre os produtos que levamos para nossas casas e verificarmos que nem sempre o menor preço compensa. Consumidores conscientes geram indústrias conscientes!

Fontes:

Termoplásticos de Amido – Planeta Sustentável;

Polietileno Verde – Braskem;

Copos de Mandioca – Planeta Sustentável;

Copos de Mandioca – G1.

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Falha prematura de materiais poliméricos

A falha de um material é um fenômeno geralmente indesejado na utilização de componentes. Claro que há algumas exceções, como por exemplo a tampa de uma garrafa, em que a falha do material deve ocorrer para que ela possa ser aberta.  No entanto, a falha normalmente é associada ao fim da vida do componente, de forma que esta deva ser considerada no projeto do mesmo. Assim, são realizados os devidos ajustes para que o material dure pelo período de tempo estimado para a vida do componente.

Mas e se a falha for prematura? Neste caso nem o projeto é capaz de se preparar para ela.. cabe ao engenheiro responsável o conhecimento prévio para deduzir se há a possibilidade de acontecer uma falha prematura, considerando as condições de aplicação do componente e a matéria-prima utilizada. Em polímeros, 25% dos casos de falha prematura são associadas à aplicação de tensão (ou mesmo tensão residual no componente, proveniente do processo de fabricação) em conjunto com um meio agressivo àquele polímero, o que chamamos de environmental stress cracking (ESC), termo que não tem uma tradução muito adequada no português.

PET em NaOH

PET deformado a 5mm/min na presença de NaOH, sofrendo stress cracking. Adaptado de Rabello et al., 2009.

Para prever a ocorrência de ESC, é importante conhecer quais meios podem ser prejudiciais ao polímero utilizado. Normalmente, o meio é um fluido que apresenta uma interação intermediária com o polímero, não tão extrema como a solubilização, tampouco tão fraca quanto a inércia. Na tabela abaixo mostramos alguns exemplos de fluidos que podem provocar stress cracking em alguns polímeros.

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Interações polímero-meio que poderão ocasionar ESC. Fonte: Rabello.

Acredita-se que a falha por stress cracking ocorra pela penetração do fluido agressivo em algum defeito microscópico, quando o material encontra-se tensionado. Assim, a região é plastificada localmente e ocorre multifibrilamento (crazing), ou seja, são nucleados microvazios entre cadeias poliméricas bastante orientadas, as quais continuam a suportar parte da carga. A continuação deste fenômeno leva ao desenvolvimento de trincas, as quais propagarão e levarão o material a uma fratura catastrófica, frágil.

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Multifibrilamento (crazing). Adaptado de: DEBLIECK, et al., 2011.

Como o fenômeno de ESC é relacionado à difusão de fluido no material, os polímeros amorfos irão ser mais susceptíveis a este tipo de falha, uma vez que apresentam maior volume livre entre suas cadeias poliméricas.

O vídeo abaixo mostra uma sequência de fotografias de CPVC (policloreto de vinila clorado) exposto a ftalatos, acompanhando a ocorrência de environmental stress cracking neste polímero.

Fontes:

WRIGHT, D. C. Environmental Stress Cracking of Plastics. Rapra, Shawbury, 1996.

HANSEN, C. M. On predicting environmental stress cracking in polymers. Polym. Degrad. Stab., vol. 77, p.43, 2002.

TURNBULL, A.; MAXWELL, A. S.; PILLAI, S. Comparative assessment of slow strain rate, 4-pt bend and constant load test methods for measuring environment stress cracking of polymers. Polym. Test., vol. 19, p.117, 2000.

RABELLO, M.S., et al. Stress cracking e ataque químico do PET em diferentes agentes químicos. Polímeros, vol.19, no.3,  2009.

DEBLIECK, R. A.C., et al. Failure mechanisms in polyolefines: The role of crazing, shear yielding and the entanglement network. Polymer, vol. 52, p. 2979-2990, 2011.

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Vidro de novela

Você já se perguntou como os atores não se machucam naquela cena de filme ou novela em que um vaso é quebrado em suas cabeças? Ou quando quebram um vidro com um soco e não sofrem qualquer ferimento? Os filmes e novelas são cheios de efeitos especiais, disto nós já sabemos, mas neste caso não é um efeito: é utilizado um diferente tipo de vidro, feito de açúcar.  Na publicação de hoje, aprenderemos como fazer este tipo de vidro e veremos a engenharia de materiais por trás deste processo, compreendendo melhor os mecanismos de formação do vidro.

Para a produção de um vidro, é necessária uma substância vitrificante, que será a formadora do retículo amorfo (ou seja, a estrutura do vidro em si) e um modificador de retículo, que rompe algumas ligações covalentes entre as moléculas do vitrificante e abaixa sua temperatura de fusão. Para fazer o vidro falso a partir de açúcar não é diferente: você deve misturar açúcar (vitrificante), água e glicose líquida/xarope de glicose (substâncias modificadoras de retículo) em uma proporção de 3,5:2:1. Ou seja, se você colocar em uma panela 2 xícaras de água, deve adicionar 3,5 xícaras de açúcar e 1 xícara de glicose líquida ou xarope de glicose, dependendo da cor de vidro desejada – a glicose líquida é utilizada para a produção de vidros transparentes, enquanto o xarope de glicose, para vidros fumê. Caso seja desejada uma cor diferente, pode-se também adicionar algumas gotas de corante da cor desejada durante a fabricação do vidro transparente.

Conhecidos os ingredientes e suas funções, podemos agora apresentar como é realizada a produção do vidro e quais os princípios envolvidos:

1 – Aqueça a água em uma panela, mas sem ferver.

O açúcar, que é composto por sacarose (Figura 1), será dissolvido em água com o objetivo de prejudicar sua cristalização e diminuir seu ponto de fusão. Em outras palavras, a água tem a função de modificadora de retículo e auxiliará na produção do vidro. Este líquido exerce atração sobre as moléculas de sacarose do açúcar, fazendo com que parte delas saia dos cristais e interaja com a molécula de H2O, provocando a solubilização do açúcar. No entanto, à temperatura ambiente nem toda a sacarose consegue ser solubilizada, pois antes disto é formada uma solução saturada, ou seja, a água do recipiente solubiliza todo o açúcar que consegue, mas não toda a quantidade que foi adicionada, fazendo com que parte dos cristais permaneçam na forma original, não homogeneizados. Sabendo que a quantidade de açúcar que pode ser solubilizada aumenta proporcionalmente à temperatura da água, esta deve ser aquecida para a produção do vidro. No entanto, ao atingir o ponto de ebulição, o líquido começa a se tornar vapor e passa a não solubilizar mais açúcar e é por esta razão que a fervura deve ser evitada.

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Figura 1 – Molécula de sacarose, a qual é composta por glicose e frutose.

2 – Misture a porção de açúcar lentamente à agua aquecida e mexa.

Esta é a parte na qual inicia a solubilização completa da sacarose, fazendo com que se dissolvam os cristais de açúcar. Isto é extremamente importante, pois para adquirir a estrutura amorfa do vidro, a estrutura cristalina original do açúcar deve ser eliminada.

3 – Misture a glicose líquida ou o xarope de glicose e continue mexendo até que a maior parte da água evapore.

A água apresenta uma baixa viscosidade à temperatura ambiente (imagine a água descendo pela parede de um copo e depois imagine a mesma coisa para o mel. É bem fácil estimar quem chegará primeiro ao fundo: a água, visto que é menos viscosa) e isto irá interferir na solidificação do vidro, que desejamos que seja sólido à temperatura ambiente, assim, a água precisa ser eliminada, mas caso isto seja feito, as moléculas de sacarose se unirão novamente e formarão cristais de açúcar. É neste momento que entra a glicose! Ela é um dos componentes da sacarose, como vimos na Figura 1, o que as torna bastante semelhantes quimicamente. Dessa forma, as estruturas apresentam uma boa interação intermolecular e isto atrapalhará a organização das moléculas de sacarose umas com as outras, que levaria à formação dos cristais de açúcar. Em outras palavras, a glicose também atua como modificador de retículo, suprimindo o processo de cristalização.

4 – Despeje a mistura no molde e aguarde o resfriamento.

Como os vidros tradicionais, o vidro de açúcar também é moldado a quente, podendo inclusive ser soprado e conformado de maneira a adquirir geometrias complexas. Uma vez que o vidro é vazado no molde desejado, deve-se esperar que ele resfrie para que se torne sólido e possa ser devidamente manuseado.

Pronto, o vidro está pronto para uso! Agora é a hora em que você assusta sua mãe, quebra o vidro com as mãos e se sente como o batman, ou utiliza seu colega como cobaia mesmo e quebra na cabeça dele. Brincadeira, ainda que seja muito menos perigoso do que o vidro tradicional, o vidro de açúcar também pode nos cortar, então muito cuidado!

Vejamos o vidro em ação:

OBS: Não façam isso em casa!

Fontes:

The Sweet Science of Candymaking – Tom Husband;

Science and Property of Sugar Glass – Sean Kelly;

Como fazer vidro falso que quebra para filmes – EHow.

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Capa de Invisibilidade Ultrafina

Quem nunca ficou fascinado ao ver os filmes do Harry Potter, em que ele utiliza sua capa de invisibilidade para escapar de grandes enrascadas? Isto é magia? Não… é engenharia de materiais! Apesar de nos dias atuais ainda não ser possível o desenvolvimento de capas capazes de cobrir pessoas ou objetos macroscópicos, os cientistas conseguiram recentemente desenvolver pela primeira vez uma capa de invisibilidade ultrafina que é capaz de evitar que partículas micrométricas sejam detectadas pela luz visível.

A capa ultrafina foi desenvolvida pela equipe de Xiang Zhang, um dos maiores nomes mundiais na área de metamateriais – materiais que apresentam propriedades não encontradas na natureza.  A equipe de Zhang, da Universidade de Berkeley, criou uma capa de 80nm de espessura a partir de nanoantenas de ouro, que apresentam a forma de minúsculos tijolos. Quando a luz visível incide sobre a capa ultrafina, ela se comporta como um espelho plano, refletindo as ondas de volta a nossos olhos como se não houvesse nenhum objeto embaixo de si, tornando-o imperceptível. É possível observar isto a partir da figura, na qual mostra-se a capa de invisibilidade cobrindo um objeto e a luz (seta vermelha) incidindo e refletindo sobre a mesma como em um espelho plano.

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Ilustração da capa ultrafina cobrindo um objeto. Fonte: ZHANG et al., 2015.

Para que a capa funcione, cada nanoantena interage com a luz de forma a restaurar sua fase e frente de onda, tornando o objeto escondido. Assim, ao mudar a polarização das nanoantenas consegue-se ligar e desligar a capa de invisibilidade, como mostra o video. Repare como os objetos, representados por dois retângulos pretos, são escondidos através da ação da capa e depois são novamente exibidos quando esta é desligada.

Até o momento, só foram cobertos objetos com o tamanho aproximado de células, pois as nanoantenas devem ser organizadas de forma extremamente precisa para coincidir com as saliências da superfície do objeto que está por baixo. Assim, ainda não é possível esconder regiões muito grandes ou pontudas em comparação ao comprimento das ondas, tampouco objetos que se mexam, pois o movimento acaba com o efeito de ilusão.

Enquanto a capa ainda não pode fazer objetos macroscópicos desaparecerem, poderia dar a ilusão de que apresentam outras dimensões. Assim, por exemplo, aviões de guerra, cobertos pela capa poderiam ser mascarados como aviões de carga. Da mesma forma, outros objetos poderiam ser feitos parecer aquilo que não são. Enquanto isso, os pesquisadores da área de materiais continuam suas pesquisas em rumo a capas com aplicações mais abrangentes, mas a descoberta de Zhang de fato revolucionou a ciência como a primeira capa a poder esconder objetos da luz visível, deixando-nos um passo mais próximos a tornar realidade aquilo que sempre foi retratado como ficção; alcançar a invisibilidade.

Fontes:

Xingjie Ni, Zi Jing Wong, Michael Mrejen, Yuan Wang, Xiang Zhang. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science, 2015.

cientistas estão a um passo de criar a verdadeira capa da invisibilidade – Abril;

Making 3D Objects Disappear – News Center.

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Ecocimentos

Na semana passada começamos a falar sobre a atuação do engenheiro de materiais no mercado de concretos e cimentos, apresentando maneiras de modificar estes produtos para torná-los mais sustentáveis, diminuindo significativamente a emissão de CO2.  (Confira o texto na íntegra). Continuando nesta linha de raciocínio, hoje trouxemos para vocês os ecocimentos, materiais que de modo geral propõem alterações significativas na composição e/ou estrutura do cimento com o objetivo de diminuir consideravelmente os impactos ambientais ou que contêm matérias-primas renováveis ou residuais de outros processos.

O primeiro ecocimento sobre o qual falaremos é feito a partir de bactérias e resíduos. Cientistas descobriram que a bactéria Sporosarcina pasteurii – comumente encontrada em nosso solo – pode produzir, a partir de fermentação por 3 horas de uma mistura de uréia e nutrientes, uma massa bastante interessante para a produção de cimentos. Após adicionar areia, resíduos de cimento industrial reaproveitado e cinzas de casca de arroz a esta massa, o ecocimento está pronto para uso. Infelizmente, a mistura ainda não mostrou o mesmo desempenho do cimento tradicional, mas os cientistas creem que esta estará apta a substitui-lo em cerca de uma década.

Por que este cimento é considerado ecológico?

A resposta é simples, o cimento tradicional é produzido a partir do calcário em uma etapa de transformação que ocorre a 1450°C, enquanto que a fermentação da mistura pelas bactérias ocorre a apenas 30°C, o que provoca a economia de uma enorme quantidade de energia.

Outro tipo de ecocimento é aquele no qual parte do clínquer, material sinterizado que é produzido logo após a queima do calcário a 1450°C, é substituído por cinzas do bagaço de cana-de-açúcar. O bagaço é utilizado como combustível em caldeiras e sua queima tem como resíduo uma cinza composta predominantemente por sílica, cerca de 60% em massa. As vantagens desta substituição parcial são inúmeras; é reduzida a quantidade de cinzas de bagaço de cana-de-açúcar destinada ao aterro sanitário, há a valorização deste resíduo, é reduzido o volume de extração de matérias-primas para fabricação de clínquer e também a emissão de CO2, visto que a produção do clínquer é a etapa com maior emissão deste gás. Calcula-se que a redução das emissões, caso 15% do clínquer fosse substituído por cinzas de bagaço de cana, seria de 3,16 x 10^9 kg de CO2 por ano no Brasil. Do ponto de vista ambiental, este ecocimento é bastante promissor, no entanto não foram publicados dados a respeito de seu desempenho mecânico.

O terceiro exemplo apresentado é talvez o ecocimento mais promissor até o momento. Seu criador, John Harrison, alega que o cimento proposto por sua equipe é capaz de reduzir o ritmo das alterações climáticas sem que seja necessário abrir mão do estilo de vida moderno.

O que tem de novidade neste cimento que o torna tão promissor?

Harrison propõe trocar o carbonato de cálcio, usado nos cimentos tradicionais, como o Portland, por carbonato de magnésio. Essa troca provoca, primeiramente, a diminuição da temperatura do forno industrial de 1450°C para 650°C, temperatura na qual o carbonato de magnésio transforma-se em óxido de magnésio. Assim, seria gasta apenas cerca de metade da energia utilizada para o processo convencional de produção de cimento. Além disso, durante a aplicação e endurecimento do ecocimento, ocorre um fenômeno denominado de carbonação, na qual uma grande quantidade de CO2 é reabsorvido do ar. As consequências disso são que apesar de o ecocimento eliminar uma maior quantidade de CO2 durante sua produção, este absorve muito mais deste gás ao longo de sua vida devido à carbonação. Segundo palavras do próprio Harrison, “As oportunidades de uso de processos de carbonação para sequestrar carbono do ar são simplesmente imensas. Seria preciso alguns séculos, ou até mesmo milênios, para que os cimentos comuns absorvam tanto quanto os ecocimentos são capazes de absorver em apenas alguns meses”.  A substituição direta do cimento Portland pelo ecocimento de Harrison poderia causar a absorção de cerca de 1 bilhão de toneladas de CO2 ao ano, um valor realmente surpreendente. Além disso, o ecocimento apresenta maior durabilidade do que o cimento Portland e é menos alcalino do que este, tornando mais simples a incorporação de resíduos inertes como matéria-prima para a produção de cimento.  Os principais desafios da incorporação do ecocimento à base de carbonato de magnésio no mercado é que o custo de mineração de sua matéria-prima é superior à do cimento Portland e que o setor de construção civil costuma ser bastante conservador.

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Harrison segurando um bloco de seu ecocimento. Fonte: Fórum da Construção

Quer saber mais sobre os ecocimentos apresentados? Confira os links abaixo:

Ecocimento produzido por bactérias:

Inovação Tecnológica;

Tec Mundo.

Ecocimento de bagaço de cana-de-açúcar:

TEODORO, P.E. et al. Estimativa da taxa de redução de CO2 de concretos produzidos com cinzas resíduas de bagaço de cana-de-açúcar.  Revista de Ciências Exatas e Tecnologia, vol. 8, no. 8, p. 173-179, 2013.

Ecocimento a partir de carbonato de magnésio:

Fórum da Construção.

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Produção de concretos sustentáveis

O concreto é o segundo produto mais consumido no mundo, perdendo apenas para a água potável.  Surpreendente, não?  Cerca de 250 kg de cimento Portland, uma das matérias primas usualmente utilizadas para a fabricação de concreto, é produzida anualmente por habitante, o que totaliza uma produção de aproximadamente 1,75 10^12 kg!! Considerando que para cada tonelada de cimento Portland produzida, outra tonelada de dióxido de carbono (CO2) emerge para a atmosfera, observa-se o quão impactante este material é para o meio ambiente. Análises mostram que cerca de 7% das emissões artificiais totais de dióxido de carbono no mundo são provenientes da produção de cimento Portland e cerca de metade destas emissões resultam da etapa de descarbonetação do calcário. Com o crescimento populacional, a indústria de construção civil mantém um elevado ritmo de crescimento, fazendo com que o uso de concretos mais sustentáveis seja uma necessidade cada vez maior.

Pensando nestes aspectos, cientistas norte-americanos desenvolveram um concreto que reduz em menos da metade as emissões de CO2, além de apresentar tenacidade e durabilidade superiores ao concreto tradicional.  A estrutura de concretos é composta por agregados e agente ligante. A fase ligante, silicato de cálcio hidratado (C-S-H), é produzida a partir da hidratação do cimento Portland e apresenta grande influência sobre as propriedades físicas e mecânicas dos materiais cimentícios. Assim, para aprimorar estas propriedades, os cientistas analisaram a estrutura da fase C-S-H em nível molecular e modificaram a proporção de cálcio/sílica, que de acordo com os padrões industriais deve ser de aproximadamente 1,7.

estruturas moleculares

Estruturas moleculares de fases C-S-H com proporções cálcio/sílica de 1,1; 1,5 e 1,8.

Além de avaliados estruturalmente, corpos de prova de cada proporção também foram submetidos a ensaios mecânicos. A análise dos dados adquiridos mostra que uma redução da proporção de cálcio/sílica para 1,5 produz um concreto mais tenaz, cerca de duas vezes mais resistente à fratura. Além disso, são reduzidas intensamente as emissões de CO2, visto que com a redução do teor de cálcio é necessária uma menor quantidade de calcário descarbonetado.

Há ainda outras maneiras de reduzir as emissões de dióxido de carbono. Uma delas, proposta por pesquisadores brasileiros da USP, consiste em aumentar a proporção de carga na fórmula do cimento Portland. A carga é uma matéria-prima à base de pó de calcário que tem função de preenchimento, mas não necessita da etapa de descarbonetação, reduzindo significativamente a emissão de CO2. Modelos matemáticos propunham que grandes quantidades de carga poderiam comprometer a qualidade final do concreto, restringindo-as industrialmente a um teor máximo de 30%. No entanto, os brasileiros provaram que isto não é verdade e conseguiram chegar a teores de carga de até 70% em laboratório sem perda de qualidade. Para isso, as partículas foram organizadas por tamanho, garantindo a maleabilidade do cimento.

Considerando a relevância da sustentabilidade de concretos para minimizar a crise ambiental que vivenciamos, este pode ser um grande nicho de mercado para engenheiros de materiais. Há diversas formas de tentar amenizar os impactos ambientais, e, pensando nisso, apresentaremos a vocês na próxima semana os ecocimentos, não percam!

Referências:

QOMI, M.J.A. et al. Combinatorial molecular optimization of cement Hydrates. Nature Communications. Vol.: 5, Article number: 4960 DOI: 10.1038/ncomms5960, 2014;

Inovação Tecnológica.

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Materiais autorreparáveis

Materiais falham a todo momento, seja por envelhecimento, desgaste, fadiga, ação de defeitos concentradores de tensões, ou outros fatores.  Assim, é necessária ação humana para repará-los, substitui-los ou agir preventivamente para evitar que o componente falhe. Imaginem como nossas vidas, tanto pessoal como profissional, seriam simplificadas se os materiais fossem autorreparáveis e não precisássemos fazer monitoramento, substituições ou reparos preventivos para evitar falhas, tampouco reparar ou substituir o material em caso de danos. Construções seriam mais seguras, carros batidos não precisariam ser arrumados em oficinas, aviões não precisariam passar por um monitoramento tão rigoroso de trincas.  Pensando em tudo isso, pesquisadores do mundo todo começaram estudos sobre materiais autorreparáveis a partir dos anos 2000. Até então, esta interessante característica foi conseguida principalmente por 4 diferentes mecanismos:  adição de agentes reparadores; criação de rede vascular interna, similar a nosso sistema circulatório; memória de forma e fornecimento de energia a termoplásticos.

O primeiro mecanismo – adição de agentes reparadores –  é utilizado principalmente em polímeros termofixos e compósitos de matriz polimérica. O método consiste em dispersar ao longo da matriz polimérica catalisador na forma de pó e pequenas cápsulas contendo um monômero líquido. Quando há a formação de trincas, não somente o material polimérico é danificado, mas também algumas das cápsulas, o que fará com que o monômero seja liberado e mova-se por capilaridade até ocupar toda a região da trinca. Assim, quando este encontra o catalisador sólido, inicia-se uma reação de polimerização que preencherá completamente a região danificada. Os materiais que contém agentes reparadores dispersos em cápsulas apresentam ótimos níveis de eficiência em autorreparação, sejam eles submetidos a um carregamento estático ou dinâmico.  O maior problema deste método é que as cápsulas devem ser muito pequenas para que não fragilizem o polímero, pois atuam como pequenos defeitos na microestrutura. Isto limita o tamanho das trincas que podem ser preenchidas, pois uma quantidade menor de monômero consegue ser encapsulada. Além disso, o material só pode ser reparado uma única vez em determinada região, pois quando a segunda trinca iniciar, não haverá mais cápsulas a serem rompidas para preenchê-la.

Encapsulamento

Autorreparo por adição de agentes reparadores. Fonte (em inglês): MURPHY e WUDL, 2010.

Uma segunda maneira de produzir materiais autorreparáveis é bastante inspirada na forma com que nosso próprio organismo se cura: levando o agente reparador até a região que precisa ser reparada por meio de um sistema vascular. Esta técnica também é comumente utilizada para termofixos e compósitos de matriz polimérica, e o preenchimento das trincas, assim como no método anterior, é realizado por polimerização. Assim, são necessários dois sistemas vasculares, um contendo uma resina líquida e o outro, um endurecedor líquido. Estas substâncias, ao entrarem em contato, desencadearão uma reação de polimerização que reparará a região danificada. Este método é bastante limitado se funcionar apenas por capilaridade, pois só serão reparadas efetivamente regiões que se encontrem a distâncias menores do que a dimensão do diâmetro do tubo. Assim, surgiu outra ideia baseada em nosso organismo: pressurizar o sistema vascular através do bombeamento das substâncias, melhorando a eficiência deste método de reparo. Em comparação com o método de encapsulamento de agentes reparadores, a formação de canais vasculares consegue fechar trincas 10x maiores. No entanto, o reparo é mais devagar, pois os agentes reparadores precisam percorrer maiores distâncias até que cheguem à região danificada. Assim, se a trinca propagar-se mais rápido do que estiver sendo reparada, o método não conseguirá pará-la.

Outro método para um material autorreparar-se é estimulando-o a retornar a sua forma inicial, se este possuir memória de forma. A memória de forma é uma propriedade apresentada por determinadas ligas metálicas, como ouro-cádmio, nitinol ou cobre-zinco, que permite com que sejam deformadas plasticamente e quando aquecidas voltem instantaneamente a sua forma original. (O mecanismo de memória de forma foi explicado anteriormente neste post).  Até agora consideramos como falha de materiais a formação e propagação de trincas. No entanto, se uma região de um componente sofrer uma deformação plástica indesejada, isto também é caracterizado como falha. Neste caso, podemos repará-la através do envio de calor àquela região, realizado através de um sistema bastante similar ao de vascularização que vimos no parágrafo anterior. Trata-se de uma rede de fibras ópticas, na qual ao invés de fluir resina ou endurecedor, há o transporte de luz de um laser até o ponto de falha, no qual há o rompimento local das fibras ópticas. Assim, a região recebe calor proveniente do laser e elimina a deformação plástica adquirida, revertendo o dano. Além de tudo isto, a fibra óptica ainda atua como agente de reforço, produzindo um compósito. Quem teve esta ideia brilhante? Um engenheiro de materiais, é claro. Seu nome é Henry Sodano.

Para polímeros termoplásticos, não é necessário a elaboração de estruturas tão complexas, apenas um pouco de calor. Esta classe de material pode ser moldada com a temperatura, então se pudermos fundir estes polímeros sob tensão, as cadeias podem se rearranjar e após o resfriamento, retomar a estrutura inicial do polímero.  Partindo deste princípio, alguns polímeros foram testados através do impacto de projéteis. Sim, literalmente atirou-se nos polímeros! A energia proveniente do choque foi tão grande, que permitiu uma grande elevação na temperatura e, em seguida, o fechamento do buraco deixado pelo projétil. A experiência é mostrada na figura abaixo.

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Autorreparo de termoplástico impactado por um projétil

Estes materiais são incríveis e podem revolucionar nossas vidas nos próximos anos. Nós, como engenheiros de materiais, devemos difundi-los e aprimorá-los ainda mais!

Referências:

Explain That Stuff;

B.J. Blaiszik; N.R. Sottos; S.R. White; Nanocapsules for self-healing materials. Composites Science and Technology vol. 68, p. 978–986, 2008.

R. Hamilton; N. R. Sottos; S. R. White; Pressurized vascular systems for self-healing materials. R. Soc. Interface Vol. 12, 2011. Disponível em: < ttp://rsif.royalsocietypublishing.org/content/royinterface/early/2011/09/21/rsif.2011.0508.full.pdf>

E. B. Murphy; F. Wudl; The world of smart healable materials.  Progress in Polymer Science vol. 35, p. 223–251, 2010.

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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.

Vidro-Autolimpante-01

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.

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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.

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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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