Materiais dielétricos

Isolantes elétricos, ou dielétricos, são materiais que apresentam condutividades elétricas pequenas, da ordem de 10-10 a 10-20 S/m. Devido a essa característica, essa classe de materiais é utilizada no confinamento de energia elétrica, seja para fins de segurança (isolamento elétrico de equipamentos e estruturas) ou de armazenamento energético (aumento da capacitância em capacitores). Os materiais isolantes normalmente são polímeros, cerâmicas, vidros ou madeiras.

Isolantes para fins de segurança / proteção de equipamentos:

Estes materiais têm grande importância para a proteção de pessoas e equipamentos. Um exemplo é o revestimento de fios de eletricidade, o qual permite que as pessoas possam tocar nestes fios sem que sofram choques. Quanto à proteção de equipamentos, um exemplo é a utilização de vernizes e filmes poliméricos isolantes nas bobinas de motores elétricos, fazendo com que haja um bom isolamento entre os fios das bobinas e evitem-se curtos-circuitos, os quais podem ocasionar a queima do motor.

De acordo com as temperaturas máximas de trabalho de determinado equipamento, é necessária a utilização de diferentes tipos de material isolante. Isso ocorre porque os dielétricos são divididos em classes térmicas, de acordo com as temperaturas máximas que podem suportar sem perder sua confiabilidade.

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Classes térmicas de materiais isolantesFonte: Apostila de Materiais Elétricos – LaMat

Isolantes para armazenamento energético:

Os isolantes elétricos podem ser utilizados no interior de capacitores, que são componentes capazes de armazenar energia elétrica na forma de campo elétrico. Grande parte dos capacitores é fabricado através do enrolamento de dois filmes poliméricos metalizados, os quais são justapostos e desfasados entre si, formando uma bobina semelhante à mostrada na figura abaixo. Comumente são utilizados polipropileno como dielétrico e liga AgZnAl como revestimento metálico.

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Armaduras e dielétrico de um capacitor organizados na forma de bobina

A bobina será então colocada no interior da caneca do capacitor, região deste componente que ficará exposta ao ambiente, e em seguida será isolada do meio externo através do preenchimento da caneca com resina, conforme mostra a figura:

Capacitor

Interior de um capacitor

O aumento da capacitância de capacitores que contêm dielétricos ocorre devido à polarização destes isolantes quando submetidos a um campo elétrico, o que ocorre basicamente por três mecanismos:

Deslocamento espacial da nuvem de elétrons: Os elétrons são partículas carregadas negativamente, de forma que são atraídas para a região de maior potencial de um campo elétrico. Assim, os elétrons rearranjam-se em torno do átomo de modo a ficar mais próximos o possível da região positiva.

Movimentação iônica: Quando materiais iônicos são submetidos a um campo elétrico, seus íons rearranjam-se de maneira que os cátions fiquem mais próximos à região de menor potencial e os ânions à de maior potencial.

Orientação de dipolos: Há materiais que são constituídos por moléculas polarizadas, como a da água. Essas moléculas são denominadas dipolos permanentes e podem ser orientadas de modo similar ao que ocorre na polarização iônica.

Em todos os casos de polarização mencionados, ocorre uma orientação das cargas de modo a produzir um campo elétrico em sentido oposto e menor intensidade ao que deu origem à polarização, culminando em um campo elétrico resultante de menor módulo sobre o capacitor. Sabendo que o campo elétrico é diretamente proporcional à diferença de potencial, verifica-se que ao adicionar um dielétrico a um capacitor que possuía vácuo entre suas armaduras haverá uma diminuição da tensão sobre o componente. Como a capacitância é dada pela equação C= Q/V , onde Q é a carga armazenada, a qual não foi alterada com a adição do dielétrico, verifica-se que uma diminuição na tensão (V) sobre o capacitor culmina em um aumento de sua capacitância. Por consequência, é possível construir capacitores menores mantendo o mesmo valor de capacitância,o que permite a redução dimensional destes componentes.

Perda da capacidade de isolamento:

Os materiais dielétricos podem perder suas propriedades de isolamento de eletricidade. Para entender melhor como isto pode ocorrer, é necessário saber primeiro o porquê destes materiais apresentarem tais características. Os materiais isolantes possuem normalmente ligações iônicas ou covalentes fortes entre seus átomos. Sendo assim, os elétrons são fortemente atraídos pelos cátions, no caso das ligações iônicas, ou pelos átomos que o compartilham, no caso das ligações covalentes. A força das ligações torna necessária grande quantidade de energia para que o elétron possa se movimentar, fazendo com que em condições normais poucos elétrons estejam disponíveis para conduzir a eletricidade. Na medida em que é fornecida energia para os elétrons, que pode ser por meio do aumento da tensão aplicada, por exemplo, estas partículas vão adquirindo energia até que possam ser tornar elétrons livres. Quando o isolante recebe essa grande quantidade de energia, torna-se condutor e os elétrons libertados passam a se mover juntos, podendo queimar, fundir ou vaporizar uma região localizada do material e provocar nele danos irreversíveis.

Uma forma de observar este fenômeno e mensurar as tensões máximas a que um material pode ser submetido sem que perca suas propriedades de isolamento é por meio do teste de tensão disruptiva. Este teste consiste em aplicar tensões crescentes sobre o isolante até que ocorra falha deste material. A tensão responsável pela falha é definida como a tensão disruptiva do material. Dividindo esta tensão pela espessura do material, tem-se a rigidez dielétrica do mesmo, isto é, o máximo valor de campo elétrico suportado pelo material sem que passe a conduzir corrente elétrica. No vídeo mostrado abaixo, podemos ver a quebra de rigidez dielétrica de um vidro, procedimento que culmina em sua ruptura.

Referências:

Apostila de Materiais Elétricos: Capítulo 18 – Materiais Dielétricos. p. 501-556. Laboratório de Materiais (LaMat). Universidade Estadual do Oeste do Paraná;

CALLISTER, W.D. Ciência e Engenharia de materiais: Uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 7ª ed. 2008;

DA SILVA, M. A. Capacitores;

RODRIGUES, C. R. Materiais Elétricos e Eletrônicos: Unidade 4 – Materiais Isolantes e suas Propriedades. p. 1-40;

Epcos. Capacitores para Aplicação AC, 24f.;

ROLIM, J. Materiais Elétricos: Capítulo IV – Materiais Isolantes. p. 71-78.

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Aços com efeito TRIP

Hoje falaremos sobre um grupo de aços muito utilizado na indústria automobilística: os aços com efeito TRIP (plasticidade induzida por transformação de fases). Estes materiais estão inseridos na família de aços AHSS (aços avançados de alta resistência), os quais oferecem uma elevada resistência mecânica, necessária para diminuir o peso dos veículos na indústria automobilística, enquanto mantém elevada a conformabilidade do material, fator tão importante para a produção dos componentes estruturais. Além dos aços TRIP, são parte desta família os aços dual phase, martensíticos, complex phase e ferrítico-bainíticos.

Os aços TRIP apresentam matriz ferrítica com dispersão das fases bainita e austenita retida, sendo esta última a responsável pela modificação das propriedades do aço na medida em que este sofre deformação plástica. Em outras palavras, a plasticidade induzida por transformação de fases presente nestes aços é consequência da transformação de austenita retida em martensita, que é proporcional à deformação plástica sofrida pelo material. Assim, consegue-se um aço otimizado, que apresenta diferentes microconstituintes de acordo com o que é exigido do mesmo. Desta forma, o material é conformado quando apresenta um microconstituinte cúbico de faces centradas (CFC), a austenita, que é bastante dúctil por apresentar muitos planos de escorregamento para as discordâncias, facilitando a conformação. Em seguida, introduzindo deformação plástica, a resistência do material em serviço é aumentada consideravelmente através da transformação desta austenita metaestável em martensita, tornando o aço capaz de suportar um maior esforço.

O funcionamento deste mecanismo pode ser melhor explicado a partir da figura abaixo, de um corpo de prova submetido a ensaio de tração.

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Corpo de prova apresentando estricção em ensaio de tração.

Verifica-se que após a estricção no ensaio de tração, esta nova região formada, de menor seção transversal resistente, será a região mais solicitada e local da futura ruptura do material. No entanto, se você for pensar no aço TRIP submetido a essas condições de ensaio, verificará que esta região da estricção, por apresentar maior grau de deformação, será também aquela em que haverá uma maior concentração de martensita. Assim, esta região apresentará resistência comparável às demais e a deformação voltará a ser mais bem distribuída ao longo do corpo de prova, que consequentemente irá apresentar uma maior taxa de encruamento e maior alongamento no ensaio de tração. Na indústria automobilística, portanto, este material também terá a vantagem de no caso de eventual colisão do veículo, absorver uma quantidade elevada de energia. Além, é claro, da vantagem associada à fácil conformabilidade.

Quanto à produção dos aços TRIP, é necessário um tratamento térmico que apresenta duas etapas. Primeiramente, o metal é aquecido e permanece um tempo no intervalo de temperatura de 780 a 880 °C, ou seja, sofre um recozimento intercrítico. Uma vez obtida a microestrutura austenítica, inicia-se o resfriamento controlado do aço para a formação de ferrita e bainita. A ferrita é formada primeiro, por meio de um resfriamento contínuo, e em seguida é formada a bainita ao manter-se o material em condição isotérmica, a 400°C. A quantidade de bainita formada é controlada e o tratamento é interrompido antes que a transformação bainítica possa ser concluída. Assim, assegura-se que ao resfriar o material ao ar, parte da austenita inicial seja mantida na microestrutura. Esta austenita será denominada de austenita retida e estará em condição metaestável, transformando-se em martensita à medida que o material for sendo deformado plasticamente.

O tratamento pode ser resumido pelo esquema abaixo:

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Tratamento térmico de aço TRIP após ser submetido a laminação à frio. Fonte: NIGRI,2008.

Você pode estar se perguntando por que razão o aço precisa apresentar estes 3 microconstituintes. Isto se deve ao fato de que o aço TRIP não garante suas propriedades mecânicas apenas com a transformação martensítica induzida por deformação, mas também por endurecimento por solução sólida, refino de grão, endurecimento por precipitação e presença simultânea de fases duras e macias em sua microestrutura.  Para isso, utilizam-se elementos de liga, tais como Mn e P (endurecimento por solução sólida), Si e Cu (endurecimento por solução sólida e precipitação) e Nb (refino de grão) unidos às fases ferrita, bainita e austenita retida, de diferentes durezas. Na realidade, ainda não se conhece quais as contribuições  exatas de cada fase no comportamento mecânico do aço, provavelmente devido à quantidade de fatores envolvidos na melhoria deste tipo de propriedade.

Referências:

EMADODDIN, E.; AKBARZADEH, A.; DANESHI, G. H. Effect of intercritical annealing on retained austenite characterization in textured TRIP-assisted steel sheet. Materials characterization, v. 57, n. 4, p. 408-413, 2006.

UTHAISANGSUK, V.; PRAHL, U.; BLECK, W. Micromechanical modelling of damage behaviour of multiphase steels. Computational Materials Science, v. 43, n. 1, p. 27-35, 2008.

GIRAULT, Etienne et al. Study of the temperature dependence of the bainitic transformation rate in a multiphase TRIP-assisted steel. Materials Science and Engineering: A, v. 273, p. 471-474, 1999.

NIGRI, E. Estudo Exploratório da Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica de um Aço TRIP 800. 2008. 130 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica) –  PPG em Engenharia Metalúrgica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2008.

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Dois tipos de asfaltos autorreparáveis!

A maior parte do fluxo de pessoas e de cargas no Brasil se dá pelas vias rodoviárias, com isso nós temos problemas bem grandes com a manutenção dos asfaltos. Já surgiram várias ideias de como melhorar vias utilizando materiais recicláveis como pneus, que melhoraram a performance do asfalto em relação ao convencional. Entretanto, por mais que o material possua uma resistência à erosão maior, algum dia irá ocorrer o desgaste de qualquer forma. Por isso surgiram pesquisas que buscam um asfalto que se autorregenere e hoje iremos falar sobre dois asfaltos desse tipo.

Asfalto autorreparável quando submetido ao calor

Erik Schlangen criou um material bem poroso que possui várias outras propriedades interessantes além do autorreparo, por exemplo ele reduz a poluição sonora emitida e também absorve a água que ficaria acumulada na pista, que o torna muito mais seguro do que os convencionais. No asfalto poroso as pedras são ligadas entre si apenas por um fino ligante, o betume. Esta ligação torna-se mais fraca à medida que ocorre o desgaste da pista, o que aumenta as tensões no asfalto e faz com que surjam micro-trincas, que em seguida começam a quebrar parte das pedras. Assim, quando um automóvel passar pela via, estará mais suscetível a arrancar pedaços do asfalto poroso, visto que este foi fragilizado.

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Fonte imagem

Para resolver esse problema, Erik adicionou ao betume pequenos pedaços de palha de aço (sim, aquela que utilizamos para lavar a louça) que atuam como fibras no material e também tornam possível seu aquecimento a partir de indução. Assim, o aço é aquecido por efeito Joule e, em seguida, transfere calor ao betume, que fundirá e poderá fluir e tampar as pequenas micro-trincas. Então quando o material é resfriado, ele fica como novo!

A pesquisa ganhou uma rodovia para teste e então após a obra terminar foram coletadas várias amostras para fazer o envelhecimento artificial em laboratório, já que esperar a rodovia se desgastar por si só levaria muito tempo. Ao fazer isso e aquecer com a máquina de indução o material se recompôs e para complementar os estudos os cientistas fizeram isso várias vezes na mesma amostra e em todas as vezes eles tiveram um resultado positivo.

Mas não seria trabalhoso toda vez ter que aquecer o asfalto? Com essa pesquisa eles também descobriram que esse material só vai precisar do tratamento de 4 em 4 anos e como consequência irá economizar muito dinheiro e tempo com a manutenção!

No vídeo abaixo Schlangen fez uma demonstração numa palestra do TED utizando um microondas!

Micro-cápsulas de asfalto autorreparável

Nesse tipo de asfalto foram utilizados os polímeros SBS e o DMP como os agentes de reparação que são encapsulados e misturados com o ligante do asfalto, que no caso de cima é o betume. Então, quando aparece uma micro-trinca perto de uma dessas pequenas cápsulas, elas irão rompê-la e assim o material que estava no interior será misturado com o asfalto, fazendo com que ele se reconstitua.

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Esquema de como funciona o asfalto com micro-cápsulas

Os testes que foram realizados com esse material demonstraram primeiramente 85% de eficiência, já nos últimos ela foi de 95%!

Essas inovações poderiam fazer grandes diferenças no nosso cotidiano, não é mesmo?

Em outro post nós escrevemos sobre materiais autorreparáveis e os tipos de mecanismos existentes, você pode reler aqui!

Fonte:

Chung K.; Lee S.; Park M.; Yoo P.; Hong Y. Preparation and characterization of microcapsule-containing self-healing asphalt.  Journal of Industrial and Engineering Chemistry 29 (2015) 330–337.

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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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7 materiais futuristas que já existem!

Sabe aqueles materiais que são típicos de ficção científica? Pois é, a engenharia de materiais os torna realidade. Selecionamos 7 materiais que parecem não existir, mas já estão ou logo estarão presentes nas nossas vidas.

Aerogel

Em 1931 já se falava desse grupo de materiais, mas foi apenas há 25 anos que realmente os cientistas começaram a se interessar por eles. O aerogel é uma espuma geralmente feita de géis de alumina e que 99,8% do seu volume consiste em espaços aparentemente vazios, que na verdade são preenchidos por ar.

Umas das características mais interessantes desse material é que ele aguenta uma carga de compressão que pode ser igual até 4 mil vezes o seu próprio peso e além disso é um ótimo isolante térmico. Na foto abaixo, por exemplo, o aerogel separa a flor de uma chama que pode chegar a 1100 graus celsius, incrível não?

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Aerogel utilizado como isolante térmico. Fonte imagem

Assim, a aplicação desse material varia muito e vai desde a sua utilização em missões espaciais até na utilização de limpeza de manchas de óleos em oceanos.

Nanotubos de carbono

Os nanotubos de carbono são basicamente folhas de grafeno (que já falamos dele aqui e aqui!) enroladas que formam uma peça cilíndrica com diâmetro de aproximadamente 1 nm. Assim, dependendo da forma com que estão enrolados e então da forma que os átomos de carbono estão dispostos, o material pode ser condutor ou semicondutor. Vale relembrar que é um material 200 vezes mais resistente que o aço e é até 1000 vezes mais eficaz no transporte de energia ao ser comparado com os fios de cobre. As aplicações mais desejáveis para esses materiais é na produção de nano-processadores e na transmissão eficiente de energia.

Espumas metálicas

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Fonte imagem

Essas espumas são formadas quando por exemplo é adicionado ao alumínio fundido um agente formador de poros, que é um pó de TiH2, mas podem ser feitos de outros tipos de materiais também. O volume dos poros nesse material está em torno de 75-95%, ou seja, é um material muito leve e pouco condutor, mas é muito resistente. Esses materiais podem ser utilizados para diminuir o peso e absorver o impacto em carros, também são utilizados em dispositivos médicos e em filtros

Metamateriais

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Fonte imagem

Os metamateriais são aqueles que possuem propriedades não encontradas na natureza, ou seja, apenas podem ser produzidos artificialmente e elas dependem muito da estrutura dele e não tanto da sua composição química. Através de pesquisas já foram desenvolvidos materiais com índice de refração negativo, uma cerâmica que após ser comprimida em 50% volta ao seu estado inicial e até mantos de invisibilidade eletromagnética e acústica. Você também pode ler mais no nosso post só sobre metamateriais.

Alumina Transparente

Já imaginou um material 3 vezes mais resistente que o metal, 85% mais dura que a safira e ainda transparente? Esse é o caso dessa alumina, que é uma cerâmica policristalina conhecida também como oxinitrato de alumínio que até já apareceu em um dos filmes antigos do Star Trek. Ela foi desevolvida primeiramente pelos Estados Unidos com o intuito de ser utilizada como janelas em veículos blindados. Existem rumores que a Microsoft utilizaria na confecção de smartwatch, por ser muito mais resistente que o Gorilla Glass. Os grandes desafios do desenvolvimento desse material é evitar microporos, ter um maior controle sobre os contornos de grãos e minimizar o número de impurezas.

E-textiles

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Fonte imagem

Não é nenhuma novidade que os wearables estão em alta, mas ainda não estamos acostumados a ver tecidos eletrônicos. Eles simplesmente são tecidos com componentes eletrônicos, que além de serem utilizados para fins estéticos, poderão auxiliar na regulagem de temperatura do corpo, reduzir a resistência ao ar ou até mesmo controlar a vibração muscular. Assim, ajudará muito na performance de atletas e pode ser utilizada também para fins militares. Além disso poderá proteger nosso corpo contra radiação e até mesmo dos efeitos das viagens espaciais.

Liquid metals

São os famosos metais amorfos, que são chamados dessa maneira não por estarem líquidos em temperatura ambiente, mas sim pela forma que as suas moléculas se comportam. Esse material possui também inúmeras propriedades como por exemplo, ele é  2,5x mais resistente do que o titânio; tem dureza 1,5x maior do que um aço inoxidável; é 2-3 vezes mais resistente à deformações plásticas do que um aço comum; não é corrosivo; possui alta condutividade térmica e elétrica. O vídeo abaixo mostra quão mais elástico ele é comparado com metais comuns.

E você, quais materiais adicionaria nessa lista?

Você pode ler mais sobre eles nas fontes utilizadas:

Tecnomundo – Aerogel

Nanotubos de carbono

Metal Foams

Alumina transparente

Forbes – Tecido inteligente

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Como as bijuterias podem afetar sua saúde?

Um dos mercados mais promissores para esse ano segundo o SEBRAE é o ramo de jóias e bijuterias. Isso pode ser comprovado ao andar no centro de qualquer cidade ao ver inúmeras lojas que oferecem um preço bem baixo para adquirir bijuterias, como anéis, pulseiras e colares. A diferença de preço entre uma joalheria e uma loja dessas consiste basicamente no tipo de material que é utilizado para fazer as peças.

As jóias certificadas são feitas de ligas de ouro com prata, níquel, zinco e paládio. Quando é dito que é ouro 18 quilates, estamos dizendo que a cada 24 gramas de material, 18 são de ouro, ou seja, 75% da peça. E a cotação da grama de ouro está em torno de R$138,00.

Nas famosas “bijus” o metal base utilizado pode ser latão, peltre (liga de estanho, antimônio, cobre e chumbo) alumínio ou outras ligas com zinco, por exemplo. E geralmente é realizado um recobrimento eletrolítico, conhecido popularmente como banho ou folheação, utilizando metais mais nobres como o ouro e a prata.

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Porém o grande problema dessas peças é que para ter um preço tão mais baixo que as outras são utilizados metais como o cádmio e o chumbo, que são utilizados por serem bem maleáveis e brilhantes. A tonelada de uma liga de zinco com pouquíssima concentração desses metais custa em média 4 dólares, porém se ela possuir alta concentração o seu preço cairá para a metade.

Mas qual o real problema de utilizar o cádmio e o chumbo?

Esses materiais são altamente tóxicos e podem ajudar no desenvolvimento de câncer de mama, problemas cardiovasculares e pulmonares, além de fazerem com que os rins parem de funcionar, prejudicarem o desenvolvimento do cérebro de crianças e também fazerem com que os nossos ossos percam densidade, tornando-os mais susceptíveis à fratura.

A toxicidade é proveniente da maior reatividade em reações bioquímicas, substituindo outros materiais como zinco, cálcio e ferro. Por exemplo, há a interferência do metal nas proteínas que fazem com que certos genes desliguem ou liguem, deslocando outros metais na molécula. Então a forma da proteína é alterada de modo que ela não vai desempenhar a sua função.

No Brasil não há ainda nenhum órgão que regule a composição química desses produtos, porém o Inmetro já se posicionou e disse que irá regular o uso dessas substâncias químicas, que segundo as normas norte americanas e européias deve ser menor que 0,1%. Na pesquisa realizada pelo Inmetro em 10 peças mostrou-se que em 40% delas havia mais de 90% de cádmio, de chumbo ou dos dois metais juntos.

Mas como há o banho de metais que podem ser utilizados não tem problema nenhum, certo? Errado, geralmente esse folheamentos são de baixíssima qualidade e como o nosso suor é ácido ele decompõe o metal, que migra para o nosso corpo. E no final de sua vida útil, esses metais pesados vão para os lixões e contaminam o solo e as águas subterrâneas, podendo retornar ao nosso metabolismo.

Ninguém imaginava que uma bijuteria de 5 reais poderia trazer tanto problema, né?

O engenheiro de materiais pode auxiliar no desenvolvimento de novas ligas e também na otimização do processo de jóias e bijuterias para fazer com que haja uma redução do custo (sem comprometer a vida de ninguém) e ainda alterar a estética destes produtos.

Referências:

SEBRAE

Banho de metais

China jewelry makers say toxic-metal cuts costs

Toxicidade do chumbo

G1 – Jóias e bijuterias tem metais pesados até 60 vezes acima do permitido

Pesquisa do Inmetro sobre o Cádmio

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Nova família de materiais luminescentes

Os materiais luminescentes são bem utilizados no nosso cotidiano, por exemplo em sinalizações de saída de emergência ou na sinalização de trânsito. Esse fenômeno pode ocorrer em qualquer estado da matéria e é relacionado com a capacidade do material de emitir luz através de uma reação química, radiação ionizante ou até mesmo por meio de uma emissão de luz. A transferência ou absorção de energia se dá através de um íon de espécie ativadora, que quando excitado sofre decaimento e então emite radiação de menor energia que a fonte incidente. O que também pode ocorrer é que o íon ativador não é capaz de absorver a energia de excitação direta, então para absorver essa energia será utilizado um íon sensibilizador.

Cientistas do MIT desenvolveram uma família de materiais bioinspirados luminescentes que emitem precisamente cores controladas (até mesmo o branco) e cuja emissão pode ser ajustada conforme a variação das condições do ambiente. Esses materiais consistem em um metallogel, que é um polímero metálico feito de metais de terras raras, pois eles apresentam grande rendimento quântico, e que no caso é feito com lantanídeo. O princípio de emissão de luz pode ser ajustado conforme estimulos químicos, mecânicos ou até mesmo térmicos, assim eles podem identificar a presença de alguma substância ou situação particular. Isso é possível através da combinação do lantanídeo com o polímero polietilenoglicol. Dessa forma eles podem detectar toxinas, poluentes e elementos patogênicos através das diferentes emissões de luz quando em contato com essas substâncias.

Outra aplicação desses incríveis materiais é na detectação de tensão em sistemas mecânicos. Esse material pode ser aplicado em forma de gel ou como um revestimento nas estruturas, então antes que a falha ocorra, ele irá identificá-la. Além disso, esses materiais compósitos são capazes de auto-montagem e auto-regeneração e podem ser utilizados em casos que necessite de absorção de energia sem fraturar, como em implantes biológicos.

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Materiais luminescentes produzidos pelo MIT. Fonte imagem

E por que eles são bioinspirados?

Bom, o engenheiro de materiais Niels Holten-Andersen disse que ele procura usar os truques presentes na natureza para projetar polímeros que sejam bioinspirados e esses materiais luminescentes não deixam de ser um caso, porque ele se baseou nos organismos presentes no oceano.

Um grande centro no Brasil que trabalha com materiais luminescentes é o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen) que é ligado à USP. Nele o químico Everton Bonturim desenvolve materiais com luminescência persistente, que é o fenômeno no qual continuam emitindo luz por minutos ou até mesmo horas depois de cessada a excitação e quando o sistema absorve energia térmica a energia dele será liberada. E o principal diferencial dessa pesquisa feita por Bonturim é que ele estuda as propriedades que esses materiais terão em escala nanométricas para serem agregados em materiais como polímeros e sílica. Como já falado anteriormente, são utilizados metais de terras raras nesse sistema e os três tipos presentes na pesquisa do IPEN são o térbio (Tb), európio (Eu), e túlio (Tm).

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Material luminescente. Fonte imagem

A aplicação mais provável para eles é transforma-los em marcadores biológicos, que permitem a identificação de substratos e são úteis no diagnóstico de doenças. Além disso são utilizados na área de segurança ao serem utilizados em células e documentos.

Você conhece mais algum centro de pesquisa que trabalha com materiais luminescentes ou alguma outra aplicação? Não deixe de compartilhar com a gente!

Leia mais sobre:

Phys.org

USP

Luminescência

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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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A vantagem dos polímeros

Nessa semana assisti uma palestra apresentada por um engenheiro da empresa Solvay sobre uma das maiores tendências do momento: A substituição dos metais pelos polímeros.

Esse fenômeno ocorre porque hoje há o desenvolvimento de polímeros com propriedades equivalentes ou até maiores do que metais. Assim, essa gama de materiais pode ser classificada conforme a pirâmide abaixo:

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Pirâmide polimérica

Na maioria das vezes os materiais substituintes estão no topo da pirâmide, como o PEEK e o PBI e possuem propriedades superiores aos demais, já os que estão na base da mesma, como PET, PP e PE são geralmente utilizados na fabricação de embalagens ou brinquedos, ou seja, não possuem aplicações que necessitam alto desempenho do material.

As principais vantagens obtidas através dessa permuta de materiais em certas aplicações são a redução do peso, redução do custo, melhoria nas propriedades de resistência química e há uma redução no barulho produzido pelos componentes. Além disso não é necessário fazer operações secundárias na manufatura e é possível fabricar peças com geometria complexa.

Um exemplo muito interessante é o projeto Solar Impulse, que é apoiado pela Solvay e consiste em um avião solar de longo alcance que visa a volta ao mundo utilizando apenas a energia solar. Para isso ser possível em várias partes do avião foram utilizadas peças feitas com polímeros ao invés de metais, que irão fornecer ao avião um menor peso e consequentemente um menor consumo de energia. Dois materiais utilizados foram PPA e PVDF, que possuem alta resistência aos raios UV. O vídeo abaixo fala um pouco mais sobre o Solar Impulse:

Outro caso bem interessante, que não foi comentado na palestra e não é da Solvey, é a substituição dos componentes metálicos dos braços biônicos. Próteses chegam a custar mais de 40 mil dólares e através da troca do material e do design foi possível ter um custo de fabricação de apenas 300 dólares! Ou seja, chegará no consumidor final por um custo muito menor, assim o número de pessoas que poderão ter acesso será muito maior, o que é simplesmente incrível. O vídeo abaixo mostra ela em funcionamento:

Ainda, polímeros reforçados com fibras podem possuir resistência mecânica muito maior que os metais e polímeros, como o AMODEL (PPA), IXEF (PARA) e Ketospire (PEEK) que possuem resistência à tração e peso específico próximos aos de metais, mas o seu módulo de elasticidade ainda é muito menor.

Ademais, eles ainda possuem inúmeros desvantagens em relação aos metais, como por exemplo menor vida útil e maior agressão ao meio ambiente. Sabe-se que ainda há muito para melhorar na reciclagem dos polímeros, pois hoje ao serem reciclados, o produto final obtido não tem as mesmas propriedades do que o reciclado. Além disso, para a reciclagem diferentes tipos de polímeros não podem ser misturados, porque causará contaminação e sem contar que não são materiais biodegradáveis, causando vários problemas ambientais.

Em relação aos problemas técnicos ainda é muito difícil ter uma peça polimérica com tolerância dimensional baixa e com um design complexo, para essas aplicações os metais são a melhor opção!

Para otimizar o processo, essas equipes de desenvolvimento usam softwares de simulação de engenharia preditiva (CAE/CAD), que muitas vezes substituem a necessidade de testes reais. Foi comentado também sobre as impressoras 3D, mas essas ainda não são utilizadas para polímeros de alta performance e sim para aqueles que se encontram na base da pirâmide.

E você de qual time é, metais ou polímeros?

Até a próxima semana (:

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Supercondutividade cada vez mais próxima da temperatura ambiente

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

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

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

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

estaneno

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

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

Referências:

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

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

Estañeno: primeros trabajos para fabricar el nuevo hermano del grafeno

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

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