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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Ligas com Efeito de Memória de Forma (LEMF)

Oi, galera!
Vocês já ouviram falar de materiais com propriedade de memória de forma? O curioso fenômeno ocorre em algumas ligas de ouro-cádmio, cobre-zinco, mas é conhecida principalmente em uma liga denominada nitinol, a qual é composta por níquel e titânio.
O efeito de memória de forma permite que o material seja deformado plasticamente e quando aquecido volte instantaneamente à sua forma original, como mostra o vídeo.

É impressionante! As aplicações desses materiais são inúmeras, partindo das áreas de robótica e biomecânica até as indústrias naval, nuclear, aeronáutica e automobilística.

Como funciona o efeito de memória de forma? O que as ligas com efeito de memória de forma têm em comum que lhes confere esse comportamento? Uma transformação de fases! Basicamente, quando se encontram à temperatura ambiente as ligas apresentam uma fase monoclínica denominada martensita. O aumento da temperatura, no entanto, diminui a estabilidade da fase martensítica e seus cristais adquirem forma cúbica, caracterizando uma nova fase, a qual é denominada austenita. A temperatura que marca a transição entre essas fases é conhecida por temperatura de transformação. O principal fator para a ocorrência da memória de forma é a capacidade da fase martensítica de sofrer maclação. Dessa forma, ao aplicar-se uma força externa, o material é deformado plasticamente sem que haja ruptura das ligações entre átomos e, consequentemente, sem ocasionar danos permanentes à sua estrutura. Isso permite que, quando o material for aquecido acima de sua temperatura de transformação, sua fase martensítica seja convertida em austenita, a qual apresentará a mesma estrutura que possuía antes de o material sofrer qualquer deformação, visto que a martensita não foi modificada permanentemente. A Figura abaixo esquematiza o que foi explicado até então.

mecanismo memória de forma

O fato de a estrutura austenítica ser “memorizada”, ainda que a liga sofra deformações em temperaturas mais baixas, explica não somente o mecanismo do efeito de memória de forma como também o porquê do nome escolhido para o fenômeno. O video abaixo mostra alguns experimentos realizados com a liga Nitinol. Observa-se, ao final do vídeo, que para alterar a forma a que o material retoma ao ser aquecido, o mesmo deve ser conformado em temperaturas elevadas para apresentar fase austenítica, visto que essa é a fase responsável pela memorização.

Espero que tenham gostado. Até a próxima!

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