Nanofibras

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

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Hidrogéis na biomedicina

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

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Material que repele sangue é uma nova aposta na área de biomateriais

Um assunto recorrente aqui no Engenheiro de Materiais são os biomateriais e sabemos que um grande problema na aplicação dos mesmos é a falta de biocompatibilidade com nosso corpo. Dessa forma, existe muito estudo em cima da produção de materiais biocompatíveis. No último ano foi publicado um artigo na Healthcare Materials sobre um material super repelente a sangue, obtendo alta biocompatibilidade.

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Sangue, plasma e água sobre a superfície do material desenvolvido. Créditos: Kota lab/Colorado State University

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O que caranguejos e biomateriais tem a ver?

Biomateriais é um tema muito importante e hoje falaremos sobre mais uma inovação dessa área. Uma pesquisa, publicada no Science and Technology of Advanced Materials pesquisou a combinação de um açúcar, proveniente de conchas de caranguejos e camarões, com nanomateriais pode gerar um material compósito com aplicações biomédicas, como regeneração óssea.

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Como conservar alimentos sem refrigeração?

Você costuma ir ao supermercado? Uma boa parte do tempo é dedicada a escolher as melhores frutas e verduras dentre as oferecidas, pois nem todas estão nas boas condições que esperamos. Você já parou pra refletir o percentual desses vegetais que são desperdiçados? De acordo com a Organização para a Alimentação e Agricultura (FAO), metade deles nem chega às prateleiras do supermercado, se deterioram no caminho entre a lavoura e o consumidor. Considerando as dificuldades envolvidas na produção de alimentos, como a ocupação de terras, uso de agrotóxicos, demanda de água, fertilizantes, susceptibilidade a pragas ou intempéries, é mesmo uma pena que metade dos alimentos “bem-sucedidos” do campo seja simplesmente perdida assim.

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Descubra a matéria-prima mais inusitada para a fabricação de roupas

Vamos apresentar hoje o que talvez seja a matéria-prima mais surpreendente e inusitada de toda a Engenharia de Materiais e Engenharia Têxtil. Inspirados no post recente que descreve o impacto devastador que os materiais não biodegradáveis podem ter no ambiente, mostraremos hoje a produção de fibras 100% biodegradáveis feitas a partir de uma das coisas mais amadas pelos estudantes de engenharia (e creio que pelos engenheiros formados também): A cerveja!

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Conheça o material que promete revolucionar a biomedicina

O que lentes de contato, fraldas descartáveis, substâncias transportadoras de medicamentos, gel de cabelo, pasta de dente e os cosméticos em geral têm em comum? Todos geralmente possuem em sua composição um polímero multifuncional denominado hidrogel. Os hidrogéis são hidrofílicos, isto é, têm afinidade com a água, podendo conter até 99% dessa substância em sua estrutura, são lubrificantes, sensíveis a alterações no ambiente, normalmente viscoelásticos e permitem o transporte de solutos. Com todas essas características, são extremamente versáteis e multifuncionais, podendo variar de flexíveis a frágeis, porosos a densos, de acordo com sua composição química, o que permite que sejam adaptáveis às mais diversas necessidades.

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Materiais para odontologia

Sempre ouvimos por aí que o mercúrio é um metal tóxico. A maioria das mães já deve ter dito para não deixarmos o termômetro cair no chão, e se ele quebrar, para não tocarmos no mercúrio que vazou. Por que então são utilizadas ligas de mercúrio para o reparo de dentes se é de conhecimento popular que ele é tóxico a nós seres humanos? Apesar de hoje essas ligas, chamadas de amálgamas, serem menos comuns na reparação dentária devido ao desenvolvimento de resinas cerâmicas com melhor acabamento estético, é comum ainda encontrarmos muitas pessoas que possuam essas obturações em seus dentes.

As amálgamas são utilizadas por possuírem uma combinação de características favoráveis: são duráveis, suportam bem as pressões oriundas da mastigação, seu preço é acessível e são fáceis de colocar, uma vez que normalmente são líquidas ou pastosas à temperatura ambiente, de forma que preencham muito bem todas as cavidades e contornos dentários. Além de dar essa consistência mais líquida à liga, o mercúrio é importantíssimo na obtenção de um material duro e estável, uma vez que é responsável por ligar quimicamente metais como prata, cobre e estanho, para formar as amálgamas. A vantagem é que quando misturado a estes outros elementos, o mercúrio torna-se uma substância inativa, sendo muito menos nocivo ao corpo humano. Ainda assim, há uma liberação em pequena quantidade do mercúrio das obturações para o interior de nosso corpo. No entanto, essa liberação não é considerada perigosa, visto que o mercúrio é um elemento já presente em certa quantidade em nossa água, comida e ar, de forma que a pequena quantidade liberada pelas amálgamas não é tão significativa perto do contato diário que possuímos com o metal.

Uma outra alternativa metálica é o uso de ligas a base de ouro. O ouro é o metal mais biocompatível que existe e já são conhecidos relatos de muito tempo atrás sobre pessoas que possuíam dentes de ouro.  Além disso, o ouro tem coeficiente de expansão térmica muito próxima à do dente, expandindo e contraindo de forma semelhante a este e, assim, evitando tensões em excesso no dente restaurado. Devido a tudo isso, o material sempre foi considerado muito seguro. No entanto, o ouro puro é muito dúctil (e caro) para fazer restaurações dentárias, precisando de alguns elementos de liga para obter melhores propriedades, como por exemplo a prata e o irídio, que aumentam a resistência da liga, o cobre e o paládio, que modificam sua coloração, e a platina, que, assim como o ouro, é resistente a manchas e tem poucas chances de desencadear uma reação imunológica. No entanto, a adição desses elementos de liga faz com que o ouro não seja mais completamente inerte e biocompatível. Relatos na literatura mostram que alguns elementos liberados das ligas de ouro apresentam efeito citotóxico in vitro.  Os estudos concluíram que ouro, paládio e platina não apresentam efeito citotóxico, cromo, cobre e prata mostraram-se tóxicos e níquel, zinco e cobalto foram classificados como muito tóxicos. No entanto, esses estudos são recentes e ainda não se sabe com clareza sua relevância clínica. Serão necessários mais estudos in vitro e mais ensaios clínicos controlados para uma melhor avaliação das ligas.

Para quem não se sente confortável com as opções metálicas, há outros materiais que podem ser utilizados e que conferem uma melhor qualidade estética.

A primeira opção são os compósitos à base de polímeros. Eles não são tão duradouros como as amálgamas e ligas de ouro e não podem ser utilizados em casos em que a perda dentária é muito grande, no entanto em preenchimentos menores são uma excelente opção e conferem uma boa estética. Os compósitos são feitos a partir de uma resina polimérica e uma carga de partículas vítreas, misturadas e ajustadas até se assemelharem à coloração original do dente. A matriz polimérica é responsável por conferir estabilidade e não dissolubilidade em água. Já as particulas vítreas, normalmente quartzo, borossilicato, ou vidro a base de bário, aumentam a resistência do polímero, previnem a absorção de água e amenizam expansões ou retrações. Ao final, é realizado um tratamento de superfície para unir efetivamente o polímero e a carga vítrea. Há na literatura diversas combinações de polímeros, cargas, catalisadores, aceleradores, etc, que conseguem formar bons compósitos com essa função odontológica. Devido aos avanços recentes, esses materiais são cada vez mais populares e confiáveis, conferindo bastante segurança na junção entre material e dente.

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Comparativo entre obturações de amálgama (acima) e de compósito (abaixo), mostrando o melhor aspecto estético da última.

Por fim, para finalizar o assunto de hoje, será abordada mais uma opção não metálica: as porcelanas. Esses materiais cerâmicos são os que fornecem o melhor acabamento estético dentre as opções abordadas. Normalmente são de um tipo de porcelana feita de óxido de silício com percentuais variados de zircônia e alumina, conferindo a cor apropriada ao material. A propósito, uma característica interessante no que diz respeito à coloração é que o material não tem sua cor alterada com o uso, mantém sempre a cor original. Isso não acontece para muitos dos outros materiais desenvolvidos para adquirir um aspecto semelhante ao de um dente.

Como podemos ver, há ainda muitos desafios na área odontológica. Nesse caso, vemos a importância do trabalho em equipe e dos grupos interdisciplinares, onde um maior progresso pode ser obtido através da parceria entre áreas como odontologia e engenharia de materiais.

Fontes:

Biocompatibility Testing & Dental Toxicity;

J. B. Schilling Dentistry: Materials;

ELSHAHAWY, W.; WATANABE, I. Biocompatibility of dental alloys used in dental fixed prosthodontics. Tanta Dental Journal, v. 11, n. 2, p. 150-159, 2014.

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O que afinal faz um engenheiro de materiais?

O primeiro desafio de um estudante de engenharia de materiais é explicar para o mundo o que ele faz. Essa tarefa não é nada fácil, considerando que apenas todas as coisas do mundo são feitas de materiais, então imagine o quão amplo é este campo de trabalho. Definir engenharia de materiais é parecido com tentar definir energia, não existe uma resposta pronta. Apesar disso, nosso objetivo hoje é definir o que é essa ciência e ajudá-lo a explicar para aquele tio ou tia que sempre pergunta nas festas de família!

O engenheiro de materiais pode ser considerado o profissional que faz engenharia de microestruturas, ou seja, introduz, reduz, manipula a presença de defeitos em um material, modificando com isso as suas propriedades. Assim, através de diferentes condições de processamento ou de diferentes composições químicas para produzir determinado material, o engenheiro de materiais consegue fazer combinações mais adequadas a cada aplicação. Um exemplo muito claro ocorre na fabricação de materiais cerâmicos: Se o objetivo é uma maior resistência mecânica, faz-se um material com poucos poros (que são vazios no interior do material), enquanto se o objetivo for diminuir o peso do componente, a introdução desses vazios torna-se uma opção muito interessante.

Resumidamente, a engenharia de materiais funciona baseada em um tetraedro, em que um dos vértices é a estrutura e a composição química do material e os demais são aplicação, processamento e propriedades do mesmo.

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A ideia do tetraedro é mostrar como todos esses fatores são interdependentes: Para utilizar um material para determinada aplicação, é necessário que ele possua algumas propriedades específicas. Para obter essas propriedades, o material precisa estar organizado de determinada maneira em termos de estrutura, o que se consegue produzindo-o por uma determinada rota de processamento. Para outra aplicação, são necessárias outras propriedades, outra estrutura e portanto outra rota de processamento. E assim, com tudo isso em mente, o engenheiro de materiais trabalha com o objetivo de desenvolver materiais mais otimizados para uma determinada aplicação ou na seleção de materiais já existentes para aquela aplicação.

Claro que nem sempre a técnica de processamento resolverá os problemas existentes, pode ser necessário modificar a composição química do material ou mesmo misturar mais de um tipo deles. Basicamente, dividem-se os materiais em metais, polímeros e cerâmicas, cada qual com suas vantagens e desvantagens. Por exemplo: os metais normalmente são os melhores condutores de eletricidade, mas são sensíveis à corrosão (a conhecida ferrugem no caso do ferro e dos aços). As cerâmicas, são muito resistentes a temperaturas elevadas, mas normalmente são pouco resistentes a impacto e quebram. Os polímeros são extremamente leves, mas não suportam temperaturas muito elevadas. Assim, em determinadas aplicações, deseja-se uma combinação de propriedades que não existe em um único tipo de material, fazendo com que seja necessário juntá-los e com isso formar um material que chamamos de compósito. Em alguns casos, recorre-se ainda à nanotecnologia para alcançar determinada propriedade. Com ela, é permitido modificar o material lá em sua escala nanométrica (míseros 10-9 metros), conseguindo atingir propriedades que o material convencional muitas vezes não consegue, por não estar tão bem organizado.

Basicamente este é o mundo da engenharia de materiais. Agora que você tem uma boa ideia de como ele funciona, voltemos à pergunta inicial: com o que afinal esse profissional trabalha?

Há muitos engenheiros de materiais em empresas que desenvolvem polímeros, cerâmicas, ligas metálicas, aperfeiçoando esses materiais, tornando-os mais baratos e sustentáveis, atuando em seu controle de qualidade, entre outros. No cenário brasileiro atual as duas indústrias que mais contratam profissionais da área são a siderúrgica e a petroquímica. A siderúrgica está muito relacionada com as montadoras de carros presentes no Brasil, que buscam cada vez mais diminuir o peso dos componentes dos veículos com o intuito de aumentar a eficiência energética. Um exemplo de aço que foi desenvolvido através da engenharia de materiais são os aços TRIP, muito resistentes e com elevada conformabilidade do material. Já na indústria de petróleo e gás um dos principais desafios é o desenvolvimento de um material muito resistente à corrosão marítima e também resistente à pressão que será exercida abaixo d’água.

No entanto, o mercado de trabalho não se restringe apenas às indústrias mencionadas. Muitos engenheiros utilizam o conhecimento que possuem na área para prestar consultoria e resolver problemas relacionados a materiais enfrentados por determinadas empresas, outros optam por atuar na área de perícia, investigando acidentes e propondo causas para os mesmos através de uma análise de falhas do material. Além disso, há aqueles profissionais que se interessam mais por ensinar a outras pessoas as artimanhas do mundo dos materiais, atuando como professores em escolas, cursos técnicos ou universidades.  

Mesmo que muitas pessoas ainda desconheçam a engenharia de materiais, ela está muito presente no nosso dia-a-dia. Exemplos são os vidros resistentes a riscos, baterias e semicondutores, encontrados em nossos celulares, remédios (nanomateriais transportadores de medicamentos), embalagens (isopor e polímeros em geral), roupas e tênis que utilizamos, materiais de construção de nossas casas e universidades, entre outros. Além disso, a área abrange setores de grande importância no meio industrial, tais como: supercondutores, semicondutores, materiais nucleares, fibras óticas, biomateriais (isto é, desenvolvimento de próteses para o corpo humano), soldagem, corrosão, reciclagem, fibra de carbono, impressão 3D, grafeno e qualquer outra coisa que você imaginar! Existem muitos materiais que prometem mudar nossas vidas e ainda não estão prontos para o mercado, como produção de dispositivos flexíveis através de nanotubos de carbono, peles artificiais, órgãos artificiais e capa de invisibilidade através de metamateriais.

Poderíamos permanecer aqui o dia inteiro falando sobre vários lugares que encontramos a engenharia de materiais, mas vale lembrar que até em um garfo ou em um piso existe essa ciência, pois não é por acaso que esse tipo de metal ou de cerâmica foi escolhido, existe toda uma engenharia por trás dos objetos mais simples que temos em nossas casas e teve alguém que estudou muito para isso ser feito, esse alguém é o engenheiro de materiais!

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Titânio e suas ligas

O titânio e suas ligas vêm se destacando comercial e industrialmente devido a suas excelentes propriedades, tais como elevada razão resistência mecânica/peso, manutenção de sua resistência mecânica em temperaturas elevadas e excepcional resistência à corrosão. As principais aplicações destas ligas são nas indústrias aeroespacial e biomédica, em ambientes extremamente corrosivos e para a produção de equipamentos industriais avançados utilizados para a geração de energia e transporte.

O titânio possui duas estruturas cristalinas, isto é, o material apresenta alotropia. Uma das fases, denominada fase α, apresenta estrutura hexagonal compacta e é estável à temperatura ambiente, enquanto a segunda fase, conhecida por fase β, é cúbica de corpo centrado e é estável em temperaturas superiores a 882°C.

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Células unitárias das formas alotrópicas do titânio.

Assim como ocorre para os aços, alguns elementos de liga podem ser adicionados ao material metálico com o intuito de favorecer a formação de uma das fases. No caso do titânio, os elementos alumínio, gálio e estanho têm caráter alfagênio, isto é, favorecem a estabilidade da fase α.  Já o vanádio, nióbio e tálio são betagênios, atuando na redução da temperatura de transformação alotrópica, o que favorece a formação de fase β em temperaturas mais baixas do que 882°C. Desse modo, a adição de elementos de liga ao titânio e a realização de tratamentos térmicos nestas ligas permite a obtenção de diversas microestruturas e propriedades, permitindo a obtenção de três classes de ligas de titânio: α, β e α+β.  Normalmente deseja-se a fase α quando se necessita de resistência à fluência e a fase β para aplicações em que são necessárias boa resistência mecânica e à fadiga. Já a liga α+β, mais popular dentre as ligas de titânio, combina as melhores características de ambas as fases. A figura abaixo nos mostra algumas ligas comerciais de titânio, bem como uma comparação entre algumas de suas propriedades.

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Influência do percentual das fases α e β nas propriedades de ligas de Ti. Fonte: FROES, 2015.

As ligas de titânio são difíceis de produzir, o que as torna caras. A fusão deste material, por exemplo, deve ser feita em um recipiente especial para evitar contaminação, já que o material torna-se tão reativo quando aquecido em altas temperaturas que sofre contaminação por praticamente todos os materiais com os quais tem contato. Uma opção, portanto, é utilizar um cadinho de cobre resfriado por água, onde o titânio em contato com o cobre solidifica e o restante permanece fundido, protegido de contaminação. Outra dificuldade que pode ser mencionada é no processo de usinagem destes materiais. Além de possuírem um baixo módulo de elasticidade, o titânio e suas ligas têm baixa condutividade térmica, assim tendem a provocar um aumento significativo da temperatura na interface com a ferramenta durante a usinagem, aumentando o desgaste da mesma. Além disso, a elevada reatividade química mencionada anteriormente faz com que reajam com quase todos os materiais utilizados como ferramentas.

Ainda assim, apesar do preço e das dificuldades envolvidas em trabalhar com titânio, o metal é considerado bastante viável para algumas aplicações, como aquelas que mencionamos no começo deste post. Por quê? O que o torna especial?

A resposta é simples.. além de uma elevada resistência à corrosão, suas ligas apresentam uma combinação importantíssima de propriedades: resistência mecânica e baixa densidade. Ainda que não seja tão leve quanto o alumínio ou tão resistente quanto os aços, o titânio ganha destes dois materiais quando trata-se de relação resistência mecânica/peso, como podemos ver na figura.

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Comparativo entre propriedades mecânicas de ligas de titânio, liga de alumínio, aços inoxidáveis e titânio puro. Fonte: FROES, 2015.

Reparem que no gráfico do lado esquerdo, as ligas de titânio mostram-se inferiores aos aços inoxidáveis em termos de propriedade mecânica, mas superiores ao alumínio.  No entanto, ao dividirmos a resistência à tração do material por sua densidade, as ligas de titânio passam a ser superiores aos aços inoxidáveis e alumínio, apresentando a melhor relação resistência/peso, ou resistência específica. O titânio puro, por sua vez, não apresenta resistência considerável em nenhuma das análises, o que ressalta a importância de sempre continuar aprendendo e pesquisando sobre elementos de liga, fundamentais para a fabricação de qualquer componente metálico de elevado desempenho.

Referências:

FROES, F.H. – Titanium: physical metallurgy, processing, and applications-ASM International (2015)

HASÇALIK, A.; ÇAYDAŞ, U. Electrical discharge machining of titanium alloy (Ti–6Al–4V).Applied Surface Science, v. 253, n. 22, p. 9007-9016, 2007.

RIBEIRO, M. V.; MOREIRA, M. R. V.; FERREIRA, J. R. Optimization of titanium alloy (6Al–4V) machining.Journal of Materials Processing Technology, v. 143, p. 458-463, 2003.

CHE-HARON, C. H.; JAWAID, A. The effect of machining on surface integrity of titanium alloy Ti–6% Al–4% V.Journal of Materials Processing Technology, v. 166, n. 2, p. 188-192, 2005.

YAMADA, Makoto. An overview on the development of titanium alloys for non-aerospace application in Japan.Materials Science and Engineering: A, v. 213, n. 1, p. 8-15, 1996.

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