Metamateriais: Os materiais que vão contra as leis da natureza!

Metamateriais é um termo utilizado para designar materiais artificiais que possuem propriedades não encontradas na natureza através da alteração da sua micro e macroestrutura ou da formação de um compósito.  Em 1967 na Ucrânia o cientista Victor Vaselago foi pioneiro nos estudos sobre metamateriais ao provar que era possível obter propriedades como o índice de refração negativo. Vaselago previu que um suposto material com permissividade elétrica e permeabilidade térmica, ambas negativas, exibiria tais comportamentos não convencionais, porém quem realmente concretizou a ideia foi o cientista John Pendry que desenvolveu materiais capazes de ter uma performance da maneira esperada por Vaselago!

As partículas para compor esse material devem ser pequenas o bastante para conseguir interagir com a onda magnética, ou as ondas devem ser muito grandes comparadas às metaparticulas. Sendo assim o desenvolvimento dessa ciência está fortemente relacionada com o desenvolvimento dos nanomateriais. Mesmo que não seja o ideal, Pendry utilizou anéis e pinos de um aço comum, já que a composição para esses materiais não é o ponto central e sim a sua estrutura e a sua ordenação.

Mas quais as aplicações que eles teriam?

Creio que uma das maiores indagações da humanidade é como fazer um material invisível e a partir dos estudos sobre metamateriais pode-se obter mantos de invisibilidade eletromagnética e acústica, que é um caminho para essa invisibilidade absoluta. Ainda mais pode-se conseguir imagens com uma maior ampliação em telescópios e microscópios.

Na California Institute of Technology são estudados tubos de cerâmicas que após serem comprimidos até 50% voltam ao seu estado inicial! O que é muito impressionante considerando que as cerâmicas geralmente são materiais frágeis e possuem uma recuperação elástica insignificante. A técnica utilizada foi construir uma camada atômica por vez para criar uma rede de tubos cerâmicos ocos, que possuem espessura na escala nanométrica.

Arranjo dos nanotubos cerâmicos. Fonte
Arranjo dos nanotubos cerâmicos. Fonte

Um outro exemplo deles é estudado pela Prof. Katia Bertoldi da Harvard University, que possui um coeficiente de poisson negativo, ou seja, quando o material ele é comprimido na direção y, por exemplo, ele será comprimido em todas as outras direções. E quando ele é esticado, também será expandido em todas as direções. O coeficiente afeta também na fadiga de um metal, por isso uma pesquisa é feita com parceria com a Rolls Royce para obter um design do produto que resistirá a mais ciclos de compressão antes de fraturar.

Com o avanço dessas tecnologias e dos estudos envolvidos, esses materiais poderão ser aplicados em produtos e em projetos onde outros não são adequados hoje, permitindo um desenvolvimento em todas as outras áreas da engenharia também. E nossos sonhos, como por exemplo a capa invisível, poderão se tornar realidade!

Leia mais em:

BBC News

Pioneers in metamaterials: John Pendry and Victor Veselago

A Revolução dos Metamateriais

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Resolvendo o problema das células combustíveis!

Um dos grandes problemas hoje da sociedade está relacionado com a geração de energia e com métodos que sejam sustentáveis. Por isso cada vez mais são feitas novas pesquisas com métodos alternativos de geração de energia, como as SOFC, ou célula de combustível de óxido sólido. Esses são dispositivos que irão produzir energia elétrica através da oxidação direta de um combustível e eles funcionam basicamente como uma bateria:  Nele existem dois eletrodos separados por um eletrólito condutor, que nesse caso é constituído por uma cerâmica. O cátodo será alimentado por ar, onde as moléculas de oxigênio ficarão com elétrons extras, assim essas moléculas passarão através da membrana até o ânodo carregado positivamente, onde eles irão reagir com as moléculas do combustível e gerará água, energia e CO2. Enquanto ocorre essa reação, o dispositivo continua bombeando energia elétrica. As suas principais vantagens são grande eficiência, grande estabilidade, flexibilidade de combustível e baixíssimas emissões. Ademais, elas podem ser utilizadas em uma grande variedade de aplicações, como auxiliares de geração de energia em veículos.

Esquema células combustíveis. Fonte
Esquema células combustíveis. Fonte

Nas células convencionais, a membrana é feita de YSZ, uma cerâmica que é estabilizada quando em temperatura ambiente é adicionado óxido de ítrio à estrutura cristalina do dióxido de zircônia. Essas células operam com sua máxima eficiência entre 800 e 1000º C, isso significa que temos que usar materiais com uma grande resistência térmica, o que faz esse sistema ser caro e se tornar pouco utilizado. Por isso, os cientistas buscam um material alternativo para esse problema e eles finalmente encontraram!

O material que é estudado é o BZY, porém a grande questão era que geralmente os materiais cerâmicos são queimados acima de 1700º C, entretanto nessa temperatura o bário é vaporizado, por isso se torna difícil a mistura uniforme da cerâmica. Para solucionar esse problema Bryan O’Hayre, cientista da Colorado School of Mines in Golden, e sua equipe desenvolveram uma técnica chamada de sinterização reativa de estado sólido (na tradução literal) que consiste em realizar a mistura em menores temperaturas. Isso pode ser obtido ao adicionar à mistura óxidos de níquel e de cobre, assim eles reduzem a temperatura para 1450º C, inferior a evaporação do bário.

Os pesquisadores falaram na revista Science de Julho de 2015 que a descoberta praticamente dobrou a potência produzida por uma única célula de SOFC. Além do mais, a temperatura ideal de trabalho dessas células é aproximadamente à 500º C, bem inferior ao comparar com as feitas com YSZ. Porém elas ainda não estão prontas para a escala industrial, pois apenas foram produzidas células individuais, e nos dispositivos comerciais são utilizadas várias interconectadas. Então torcemos para que sejam tão eficientes quanto as individuais, para torna-las economicamente viáveis e assim poderemos usufruir das suas vantagens!

Leia mais em: Science Wiki

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Metais hidrofóbicos a partir de lasers!

Cientistas da Universidade de Rochester, que fica em Nova York, descobriram uma forma de transformar metais comuns como titânio, platina e latão, em materiais muito hidrofóbicos com pulsos de laser de 1fs (10^(-15) segundo)! Ou seja, não são utilizados revestimentos temporários, como a maioria dos produtos já existentes, e sim é intrínseco do material.

University of Rochester Institute of Optics professor Chunlei Guo has developed a technique that uses lasers to render materials hydrophobic, illustrated in these images taken in his lab December 19, 2013.  // photo by J. Adam Fenster / University of Rochester

Gota de água sobre material. Fonte: University Rochester

Esses materiais são muito importantes, pois são resistentes à oxidação, não congelam e reduzem a adesão de contaminantes na superfície. Por exemplo, uma de suas possíveis aplicações é na indústria aeronáutica, na fabricação das superfícies de aviões, já que precisam evitar o congelamento de água na fuselagem ou até mesmo canos de ar de refrigeradores e de ares condicionados.

Pode-se fazer uma analogia do metal com as folhas de lótus, que possuem uma microestrutura em torno de 10-50 μm e uma nanoestrutura de 200 nm. Essa estrutura junto com uma cera epicuticular hidrofóbica cria um material super hidrofóbico, que possui um efeito auto-limpante, pois quando a água cai sobre as folhas, ela leva consigo as partículas de sujeira.

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Folha de lótus. Fonte

Segundo o paper publicado pelos pesquisadores Guo e Vorobyev no Journal of Applied Physics, o processo através dos pulsos de laser consiste em criar uma superfície com um padrão complexo de nano (5-10 nm)  e microestruturas (75-100 μm), que concedem aos materiais propriedades assim como as das folhas acima.  E a parte mais interessante disso tudo é que o metal é intrinsecamente hidrofílico e após o processo com laser ele se torna mais hidrofílico ainda. Então como ele vira hidrofóbico? O segredo é o contato com o ar, essa transição pode ser explicada através de uma reação química entre a superfície e o CO2, que resulta numa acumulação de carbono e seus compostos na superfície tratada.

Para possuírem esse efeito auto-limpante e serem considerados super hidrofóbicos, o material deve ter um ângulo de contato de pelo menos 150°, um pequeno ângulo de deslizamento <10° e a adesão entre a superfície e as partículas de sujeira deve ser menor do que entre essas partículas e a água. E os resultados obtidos foram um ângulo de contato de 158° e ângulo de deslizamento de 4º.

No vídeo podemos ver como funciona esse efeito da folha de lótus nos metais super hidrofóbicos:

http://http://www.youtube.com/watch?v=1CYJtJWbnk0

Nesse outro mostra um pouco mais sobre o material, como ele funciona na prática e os seus benefícios em relação a outros materiais (compara até com o Teflon, sobre o qual já escrevemos aqui).

Até semana que vem!

Fontes:

Rochester University

A. Y. Vorobyev; Chunlei Guo. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses. Journal of Applied Physics 117, 033103 (2015); doi: 10.1063/1.4905616.

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Qual é o segredo do Gorilla Glass?

Creio que a maioria dos celulares fabricados hoje utilizam como tela o Gorilla Glass, que é fabricado pela tradicional indústria americana Corning.  E o diferencial desse produto é a sua resistência ao impacto e ao risco.

Gorilla-Glass-4

Primeiro devemos entender como funciona o processo de fabricação usual: A resistência do material pode ser melhorada através da indução de tensões residuais compressivas na sua superfície, conseguimos isso através da têmpera. Conforme essa técnica o vidro é aquecido até uma temperatura maior do que a tg (temperatura de transição vítrea) e abaixo do ponto de amolecimento, assim ela é resfriada até a temperatura ambiente com um jato de ar ou até mesmo em óleo. As tensões que queremos aparecem devido à diferença na taxa de resfriamento entre a superfície e o interior do material, já que a superfície resfria rapidamente e se torna rígida. Mas o interior, que possui uma taxa menor, tenta se contrair mais do que a rigidez da superfície permite, assim surgem essas tensões compressivas!

Esses seriam os famosos vidros temperados, contudo o processo do Gorilla Glass é um pouco diferente:

Ao invés de resfriarmos o material com um jato de ar ou óleo, resfriamos numa solução de sais de potássio a 400 °C, fazendo com que os pequenos íons de sódio saiam do vidro e sejam substituídos pelos grandes íons de potássio, causando tensões residuais muito maiores do que nos temperados, por causa do pequeno espaço existente para o maior íon. E são essas tensões que proporcionam ao material uma alta resistência à compressão e à fratura.

No seguinte vídeo podemos ver a comparação do Gorilla com um vidro sódico-cálcico, que é utilizado em garrafas, por exemplo.

Um dos principais concorrentes da Corning é a tela de safira, que possui vantagens como uma dureza maior e uma maior resistência ao risco, porém a sua densidade é maior, o que faz com que o produto final tenha um peso maior, além de que é muito mais caro para se produzir.  A safira é constituída de óxido de alumínio e por não ser encontrada na natureza, o seu processo é artificial. E na sua produção são aplicados calor (temperatura de 2.200 ºC) e pressão, assim em um período de 17 dias ela se resfria lentamente e recebe tratamentos térmicos. Por mais que a tela de safira não obteve muito sucesso no ramo de smartphones, ela é largamente utilizada em janelas de avião, ferramentas de corte e equipamentos elétricos e óticos.

O lançamento da Corning é o Gorilla Glass 4 que em 80% dos testes de queda não apresentou danos na tela.

Leia mais em:

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

Corning

Gorilla vs. Safira

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Já ouviu falar sobre Liquid Metals?

O fato de alguns metais serem líquidos em temperatura ambiente, como o mercúrio e o gálio, não é nenhuma novidade, mas você já ouviu falar sobre ligas com aço, alumínio e titânio, que são chamados de Liquid Metals? É exatamente sobre isso que falarei hoje! applying-low-voltage-to-liquid-metal-alloys-changes-the-surface-tension_1646_668919_0_14108217_500 A primeira vez que ele foi comercializado foi no ano de 2003, ou seja, é um material relativamente novo nesse mundo. Ele geralmente é utilizado em componentes eletrônicos e em 2010 a Apple comprou os direitos de uso e de comercialização desse tipo de metal.

Por que teve tanto interesse por parte da Apple? Esse material possui propriedades muito superiores aos materiais antigamente utilizados, algumas delas são: 2,5x mais resistente do que o titânio; dureza 1,5x maior do que um aço inoxidável; 2-3 vezes mais resistente à deformações plásticas do que um aço comum; não corrosivo; alta condutividade térmica e elétrica, entre outras.

Mas o que é realmente o metal líquido? Primeiramente ele não é líquido em temperatura ambiente, mas ele é chamado dessa forma pela forma que suas moléculas se comportam. Como pode ser visto no vídeo de 3 minutos parte de um documentário da History Channel sobre esse metal: https://www.youtube.com/watch?v=-uOPXquIMt4&feature=player_embedded

Ele é parte de uma classe de metais conhecido como metais vítreos, porque algumas das suas propriedades estão fortemente relacionadas com os vidros, como o seu ponto de fusão, que não é fixo como os outros metais e sim ocorre uma perda gradual da sua integridade com o aumento da temperatura.

E como é produzido? Eles são resfriados rapidamente para induzir uma microestrutura amorfa, o que muda suas estruturas atômicas e geram átomos desorganizados, possuindo uma resposta elástica à tensões de deformação. Os metais comuns são geralmente cristalinos e tendem a deformar plasticamente quando tencionados e flexionados.

Abaixo podemos ver um vídeo de comparação da elasticidade do Liquid Metal com metais usuais:

Bom final de semana e lembrando que na próxima teremos mais dois posts novos!

Leia mais em:

Apple e o LiquidMetal

What is Liquid Metal?

Applying low voltage to liquid metals

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Por que as teias de aranhas são tão resistentes?

Quando eu tinha uns 8 anos de idade cheguei impressionada contando para uma amiga minha que as teias de aranhas eram consideradas um material mais resistente que os aços, então ela acabou com todo o meu entusiasmo com uma simples pergunta: “Mas como elas podem ser tão resistentes se consigo destruí-las apenas passando a minha mão sem esforço algum?”
Bom, naquela época eu nem sabia o que era a engenharia e ciência de materiais e nem fazia ideia de como responder aquela pergunta. Mas hoje com o pouco conhecimento que tenho tentarei responde-la!
O que eu descobri foi que um fio de teia de aranha é inúmeras vezes mais forte do que o aço, se considerarmos a força resistida em relação ao seu peso. Porém, um fio tem cerca de um décimo do diâmetro de um fio de cabelo, então se a teia tivesse o diâmetro próximo ao de um lápis, provavelmente esse material conseguiria parar um Boeing em pleno vôo.
E qual exatamente é o material que a compõe?
A teia é um co-polímero anfifílico (ou seja, possui fragmentos hidrofóbicos e hidrofílicos) constituido de duas proteínas, cada uma contendo três regiões que fornecem ao material diferentes propriedades. Uma dessas regiões é amorfa que fornece a propriedade de elasticidade para a teia, assim quando um inseto atinge a teia ela absorve a energia cinética. As outras duas geralmente são cristalinas, são bem pregueadas e resistem ao estiramento, além disso uma dessas regiões possui rigidez. Essas pregas das regiões cristalinas menos rígidas não só encaixam nas dos cristais rígidos, mas também interagem com áreas amorfas nas proteínas, assim ancoram os cristais rígidos à matriz.  Como consequência teremos um material tenaz, resistente e elástico, que são muito maiores ao compararmos com outros materiais naturais ou sintéticos, como vemos na tabela abaixo:
Tabela 1 – Comparação do tipo de material com seu respectivo módulo elástico, resistência e energia necessária para rompe-lo. Fonte
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Na fabricação das teias, a aranha cisalha a proteína ao mesmo tempo que realiza a extrusão dela das suas glândulas. Paralelamente há a expulsão de água, fazendo com que os fragmentos hidrofílicos se projetem para fora, que leva ao desdobramento de uma estrutura conhecida como barris. Por isso, ocorre uma mudança macroscópica na emulsão, assim leva a uma polimerização que gera os fios das teias com a sua enorme resistência mecânica.
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Espero que eu tenha tirado essa dúvida de vocês e para questões mais técnicas, seguem os links das fontes que eu utilizei abaixo!
Fontes:
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Isopor feito com cogumelos?

Ao longo dos anos nos acostumamos cada vez mais com o uso de plásticos no nosso cotidiano. O isopor, que nada mais é do que o poliestireno expandido (EPS), encontramos na chegada dos nossos eletrodomésticos às nossas casas, na forma de embalagem, até no copo de café que compramos em qualquer lanchonete. O que muita gente não sabe é que estima-se que esse polímero leva por volta de 150 anos para se degradar, sendo que o utilizamos muitas vezes apenas durante minutos, além de ocupar aproximadamente 25% dos aterros sanitários. Ele também é um produto sintético, derivado do petróleo e que precisa de uma grande quantidade de energia na sua manufatura (um cubo com aresta de 33cm consome 1,5 litro de petróleo!), como muitos dos plásticos que somos habituados, e a sua reciclagem é cara, devido a baixa densidade do material e consequentemente grande volume, encarecendo o transporte.
Por isso, muitos pesquisadores estudam alternativas para o isopor. Uma dessas soluções foi encontrada pelo americano Eben Bayer da empresa Ecovative, que junto com sua equipe utilizou cogumelos para fazer um polímero que possua propriedades semelhantes ao poliestireno expandido.
Diferente dos polímeros industriais, que se transformam cada vez em menores partículas, o cogumelo está no ciclo de reciclagem natural do nosso planeta e por isso ele irá se decompor até mesmo em seu jardim, em um curto período de tempo. A parte do cogumelo utilizada para a produção do produto é o micélio, ela é utilizada no processo como uma cola, e essa propriedade dela permite que seja moldado como fazendo na indústria habitual. Além disso, ela torna o material isolante térmico e acústico, não inflamável, que resiste ao vapor e à umidade e com boa resistência ao impacto.
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A manufatura desses materiais pode ser divididades em 4 passos:
1. Selecionar a matéria-prima. Segundo o Eben, ela de preferencia tem que ser regional, por exemplo na China eles utilizam casca de arroz e na América do Norte utiliza-se casca de trigo ou aveia.
2. Preencher um molde com o formato que você deseja obter com o material.
3. Crescimento do micélio com essas partículas de matéria-prima. Nota-se que o organismo que trabalhará nessa etapa e não um equipamento.
4. Finalmente o produto! Ele pode ser embalagem ou um bloco de construção, por exemplo.
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Para ver como funciona a produção desde o desenvolvimento do material até se tornar um produto veja o vídeo abaixo:
Caso tenha um maior interesse sobre a empresa e o seu produto, você pode dar uma olhada no TEDTalk do seu co-fundador Eben Bayer em 2010.
Até a próxima semana!
Fontes:
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Você realmente conhece o Teflon?

No final dos anos 30 foi inventado pelo americano Roy J. Plunkett o politetrafluoretileno (PTFE), mais conhecido como Teflon e registrado pela companhia DuPont. Por mais que nós conheçamos ele geralmente por sua função antiaderente nas nossas panelas, a sua primeira aplicação foi bem diferente: A indústria bélica.
Durante a Segunda Guerra Mundial designers procuravam um material que fosse resistente aos componentes corrosivos das bombas e para essa aplicação eles utilizaram o PTFE. Apenas em 1954 dois engenheiros franceses descobriram que panelas revestidas desse material faziam com que a comida não grudasse nelas. Hoje, o Teflon possui inúmeras aplicações, como por exemplo na odontologia na área de regeneração óssea e tecidual e na medicina em forma de próteses. Além disso, pode ser utilizado para a fabricação de eletrodos e para a impermeabilização de tecidos.
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Para entender como esse material possui a propriedade antiaderente, temos que olhar primeiramente a sua estrutura química. O monômero do polímero, representado na figura abaixo, nos mostra que ao longo de todas as cadeias do PTFE existem apenas átomos de carbono e flúor.
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A forte ligação entre esses dois átomos pode ser explicada pela alta eletronegatividade do flúor.
Mas o que é eletronegatividade mesmo? Quando um átomo é muito eletronegativo há uma grande atração de elétrons por seu núcleo.
Através da tabela periódica abaixo, vemos que o flúor é o elemento mais eletronegativo. Por essa razão, as forças elétricas envolvidas nas moléculas, conhecidas como forças de Van der Waals, fazem com que os compostos contendo flúor repilam quaisquer átomos que se aproximem.
Por isso, é um material com grande estabilidade química em baixas temperaturas e que possui um dos menores coeficientes de atrito.
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Uma das grandes discussões hoje em questão é a toxicidade ou não do material. Sabemos que a pirólise do Teflon começa por volta de 220°C, porém cientistas acreditam que só fará mal à saúde se a temperatura em que o produto é exposto for maior do que 250°C. A pirólise gera alguns gases tóxicos como produtos da reação, alguns deles estão nessa lista. Esses podem ter diversos efeitos nos seres humanos e nos outros animais e podem até mesmo parecer com sintomas semelhantes aos do vírus da gripe.
Para termos uma noção, a carne é frita entre 200-232ºC e o ponto de fumo da maioria dos óleos é antes de 260°C. Por isso, é muito importante sabermos quais materiais podemos e não podemos usar em certas situações do nosso dia.
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