Dispositivos eletrônicos flexíveis a partir de nanotubos de carbono

Os dispositivos eletrônicos flexíveis vieram para revolucionar a tecnologia  e deixar os consumidores frenéticos, não é mesmo? Dispositivos com esta interessante característica são feitos através da substituição dos chips rígidos de silício por materiais flexíveis, tais como os nanotubos de carbono.

Os nanotubos de carbono são pertencentes à família dos fulerenos, que são formas alotrópicas do carbono (para saber mais sobre alotropia, clique aqui). Este material, como seu nome sugere, tem escala nanométrica e formato cilíndrico, apresentando a mais alta relação comprimento/diâmetro conhecida, que é próxima a 132.000.000. Os nanotubos têm uma parede composta por grafeno, podendo ser classificados como SWNT (single-walled nanotube) ou MWNT (multi-walled nanotube), como mostra a Figura 1. Os primeiros têm a parede composta por uma única folha de grafeno, enquanto os segundos são compostos por alguns tubos de grafeno concêntricos. Os nanotubos de carbono apresentam excelente condutividade térmica e propriedades mecânicas e elétricas elevadas, as quais são intrínsecas ao grafeno, como já mencionamos em outra publicação. Desse modo, esses filamentos ultrafinos têm resistência suficiente para suportar o desgaste e o dobramento, fenômenos a que os dispositivos flexíveis são comumente submetidos.

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Figura 1 – Nanotubos de carbono contendo a) uma parede de grafeno ou b) mais de um tubo de grafeno concêntrico. Adaptado de “Carbon Nanotube – Wikipedia”

Os SWNT são a classe de nanotubos utilizada para a fabricação de dispositivos eletrônicos flexíveis, considerando sua elevada mobilidade de portadores de carga, excelente flexibilidade e também sua facilidade em ser manufaturado por processos de custo não muito elevado, como por exemplo a impressão. No entanto, trabalhar com nanotubos é desafiador, considerando que estes materiais não são tão confiáveis quanto o silício no que diz respeito ao desempenho eletrônico, já que são menos tolerantes a oscilações de energia no circuito.  Além disso, consomem mais energia. Pensando nisso, pesquisadores da Universidade de Stanford estudaram uma maneira de melhorar as características eletrônicas dos nanotubos. Para isso, os pesquisadores doparam os filamentos de carbono com um aditivo denominado DMBI (dimetil-dihidro-benzimidazol) em locais específicos ao longo do circuito. Com isso, os cientistas conseguiram aumentar o efeito tipo N em nanotubos, que são semicondutores predominantemente de tipo P, e assim melhorar a eficiência energética e confiabilidade desses materiais para a aplicação. A Figura 2 mostra o circuito flexível desenvolvido pela equipe de Stanford.

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Figura 2 -Circuito flexível contendo nanotubos de carbono. Fonte: Bao Lab / Stanford Engineering

Ainda que plásticos como poliimida, poliéster condutor ou poli(éter-éter-cetona) sejam no período atual os principais materiais comercialmente utilizados para a fabricação de eletrônicos flexíveis, Bao, da equipe de Stanford, afirma que “os nanotubos oferecem os melhores atributos físicos e eletrônicos a longo prazo”. Assim, o pesquisador acredita que os SWNT venham a ser o futuro da eletrônica flexível, uma vez que têm melhor desempenho do que os plásticos.

Referências:

WANG, H. et al. Tuning the threshold voltage of carbon nanotube transistors by n-type molecular doping for robust and flexible complementary circuits. Proceedings of the National Academy of Sciences, v. 111, n. 13, p. 4776-4781, 2014;

Stanford engineers make flexible carbon nanotube circuits more reliable and efficient;

Carbon Nanotube.

5 das melhores empresas para um engenheiro de materiais trabalhar

É certo que quando entramos na universidade (muitas vezes até antes) começamos a ter um milhão de pensamentos sobre a nossa vida profissional. Como por exemplo o que eu vou fazer quando eu terminar a graduação e onde que eu vou trabalhar. Para ajudar na escolha, resolvemos listar 5 empresas que um engenheiro de materiais pode trabalhar e que são consideradas os melhores lugares para se trabalhar no Brasil.

Owens Corning

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A Owens Corning possui cerca de 450 funcionários, sediada em Rio Claro – SP e considerada uma das melhores empresas multinacionais para trabalhar no Brasil em 2015. Hoje ela é a maior fabricante de fibras de vidro do mundo, que podem ser aplicadas em inúmeros setores industriais. A Owens hoje se encontra em cerca de 30 países e produz principalmente fibras para isolamento, telhas, asfalto e geradores de energia eólica. Além de ter recebido o título da revista Exame, ela também ganhou o prêmio Top of Mind 2014 da indústria de compósitos pelo quarto ano seguido.

Whirlpool

Com mais de 15 mil funcionários e enfoque em inovação a Whirlpool não poderia ficar de fora dessa lista, pois é a maior fabricante de eletrodomésticos do mundo. Ela é uma das 10 empresas mais inovadoras do Brasil segundo a Forbes e está presente no país com as marcas Brastemp, Consul e KichenAid. Só aqui a empresa possui 3 fábricas, 2 escritórios, 4 centros de tecnologia, 23 laboratórios e 3 centros de distribuição. Você pode encontrá-la em Joinville (SC), São Paulo (SP), Rio Claro (SP) e em Manaus (AM).

Gerdau

A Gerdau é brasileira, com início na cidade de Porto Alegre há mais de 100 anos, porém hoje ela se encontra em 14 países. Anualmente eles reciclam milhões de toneladas de sucatas e transformam-as em aço de qualidade, utilizados em diversos setores industriais. A empresa é líder no setor de aços longos na América Latina e possui cerca de 45 mil colaboradores ao redor do mundo.

Intelbras 

Com quase 40 anos de história a Intelbras possui sede nos estados Santa Catarina, Minas Gerais e Amazonas e exporta para cerca de 15 países. A empresa possui um foco na pesquisa e cerca de 5% dos seus faturamentos são voltados à P&D. Entre os produtos podemos citar telefones e equipamentos para monitoramento e vigilância, como câmeras. Na produção desses produtos cerca de 120 toneladas de polímeros são processados por mês, ou seja, a área de atuação do engenheiro na empresa será voltada para o trabalho com polímeros.

DuPont

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A DuPont tem um pouco menos de 3 mil funcionários e é responsável por várias invenções no setor de polímeros, como o Teflon, Nylon e o Kevlar. A empresa é americana, possui mais de 200 anos e sua sede no Brasil está na cidade de Barueri em São Paulo. Também é muito reconhecida na área de segurança industrial e é a segunda maior empresa química do mundo. Não seria nada mal trabalhar lá, certo?

Você conhece alguma empresa que seria muito boa para trabalhar, mas não está na nossa lista? Não deixe de compartilhar com a gente!

O material natural mais resistente do mundo

Até então a teia de aranha era o material biológico conhecido por nós mais resistente . Esse material tem um potencial de aplicação gigante que vai desde coletes à prova de balas até eletrônicos. Nós falamos mais sobre a seda de aranha nesse post aqui, lembra?

Porém cientistas que estudam moluscos da família Patellidae descobriram que os dentes desse animal são cerca de 5 vezes mais resistentes mecanicamente que a seda feita pelas aranhas. Lembrando que se a teia de aranha tivesse a espessura de um lápis ela conseguiria parar um Boing em pleno vôo, então imagina o que esse material consegue fazer!

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Dentes do molusco. Foto: Universidade de Darthsmouth

Os moluscos possuem uma língua cheia de pequenos dentes, que não podem ser visto a olho nu. Eles servem para coletar comida das rochas para alimenta-lo, o que ocorre é que muitas vezes um pedaço ou outro de rocha é engolido no processo. Ou seja, seus dentes são tão resistentes que conseguem escavar uma rocha ao se alimentar.

Por que eles são tão resistentes?

O segredo desse material consiste na pequena espessura das fibras presentes nele, que possuem cerca de um centésimo da espessura de um fio de cabelo. Na engenharia de materiais, fibras são muito utilizadas, pois elas geram nos materiais elevadas resistências. Quando temos uma fibra grande, por exemplo, o material tende a ter mais falhas, o que naturalmente reduz a força de uma estrutura. Assim, essas fibras minerais muito finas evitam o enfraquecimento da estrutura por poros ou falhas. Em relação à composição química, as fibras contém um material extremamente resistente chamado de Goethita. Esse é um mineral de óxido de ferro, cuja a fórmula química é FeO(OH).

Qual a utilidade desse material para nós?

Como já falamos algumas vezes aqui no blog, nos inspiramos muito em materiais da natureza. Então a compreensão desse tipo de estrutura é muito importante para que possamos transferir o conhecimento para a fabricação de materiais mais eficientes para aplicações que já utilizam fibras para aumentar a resistência, como em aviões e barcos.

Fontes da pesquisa:

BBC

Revista Galileu

Vidros calcogenetos

Os vidros apresentam grandes aplicações nas áreas de construção civil, aeroespacial, produção de lentes, decoração,  utensílios domésticos, biomateriais, sensores, telecomunicação, etc. Em outras palavras, estes materiais são aplicados nos mais diferentes campos da atividade humana, de maneira que precisam ser constantemente desenvolvidos de acordo com as necessidades tecnológicas. Os vidros mais comuns pertencem às famílias de silicatos, borossilicatos, boratos e germanatos. No entanto, vidros de diferentes composições vêm se destacando cada vez mais, como por exemplo os vidros calcogenetos, foco da publicação de hoje. Esta classe de vidros apresenta em sua composição um ou mais ânions da família dos calcogênios (6A), como o enxofre, o telúrio ou o selênio, junto a um cátion mais eletropositivo, geralmente arsênio ou germânio. As composições mais comuns são mostradas na Tabela 1.  O oxigênio, apesar de localizar-se também na família 6A, não é considerado um formador de vidro calcogeneto.

Tabela 1: Composições e nomes comerciais de vidros calcogenetos comuns. Adaptado de HEWAK, BRADY & CURRY, 2010.

Tabela

Vidros calcogenetos têm se tornado interessantes industrialmente devido à capacidade que apresentam de se comunicarem tanto com fótons quanto com elétrons, isto é, podem ser aplicados tanto na fotônica quanto na eletrônica.

Quanto às interações com os fótons, os vidros calcogenetos podem sofrer alguns fenômenos que serão explicados resumidamente:

Fotocristalização: O efeito térmico gerado por irradiação óptica pode provocar cristalização de filmes de calcogenetos com baixa temperatura de transição vítrea. Para reverter este fenômeno, é necessário reaquecer o vidro até a fusão e resfriá-lo rapidamente.

Fotodissolução de metais: Se uma camada metálica estiver em contato com o vidro, esta pode ser dissolvida por ele através da aplicação de fótons de energia próxima à da energia de GAP do calcogeneto.

Fotopolimerização: A aplicação de fótons pode levar à combinação entre moléculas em alguns calcogenetos, criando espécies de polímeros no interior do material.  O caso mais estudado é do AsS3, que forma polímeros de As4S4. O efeito também pode ser conseguido com o aumento da temperatura do material.

Fotocompactação: Foi detectada em Ga-La-S iluminado por radiação ultravioleta. Este fenômeno envolve uma densificação do material acompanhada de alteração da composição química e índice de refração na região modificada.

Fotocontração: É semelhante à fotocompactação, no entanto é reversível por recozimento térmico e é observada em um número maior de calcogenetos.

Fotoescurecimento ou fotobranqueamento: Após a irradiação de fótons, pode ocorrer uma alteração estrutural no retículo do vidro que altera sua absorção óptica. Se esta absorção for aumentada, ocorre o fotoescurecimento, mostrado na Figura 1. Caso a absorção óptica seja diminuída, ocorre fotobranqueamento (mais conhecido pelo termo em  inglês photobleaching).

Fotoescurecimento

Figura 1: Fotoescurecimento em Ga-La-S  após a exposição a um laser de comprimento de onda de 532 nm. Fonte:  HEWAK, BRADY & CURRY, 2010.

Anisotropia fotoinduzida: Anisotropia é a variação de determinada propriedade de acordo com a direção em que é analisada no material. No caso dos vidros calcogenetos, pode ocorrer birrefringência após a aplicação de luz polarizada. Em outras palavras, estes materiais apresentarão dois índices de refração distintos, o que ocasionará a visualização de duas cores distintas (dicroísmo).

Quanto às características eletrônicas, os vidros calcogenetos podem ser considerados semicondutores (mais informações sobre semicondutividade podem ser encontradas aqui). Estes vidros apresentam energia de GAP de 1 a 3 eV que diminui à medida que percorre-se a família 6A no sentido de cima para baixo, isto é,  Egap S > Egap Se > Egap Te. Assim, nota-se um aumento do caráter metálico à medida que a tabela  é percorrida neste sentido. A semicondutividade nestes materiais é geralmente do tipo p, ou seja, há uma predominância de lacunas em relação ao número de elétrons.  Pequenas exceções são os vidros Bi-Ge-Se, Pb-Ge-Se e Pb-In-Se, que podem ser semicondutores do tipo n (predominância de elétrons). A Figura 2 mostra o posicionamento dos vidros calcogenetos em relação a outros semicondutores, comparando suas mobilidades eletrônicas. Quanto maior esta for, mais rápida será a resposta do material.

semicondutor

Figura 2: Caracterização de vidros calcogenetos como semicondutores, em relação a demais materiais desta classe. Fonte: MEHTA et al., ANO

Considerando tudo o que foi visto sobre os vidros calcogenetos e sabendo que estes são fáceis de produzir, pouco sensíveis a impurezas e baratos, podemos inferir que estes possuirão um leque muito amplo de aplicações. De fato, estes vidros podem ser utilizados nas áreas civil, militar, médica, aeroespacial e em produtos como interruptores elétricos, sistemas fotorresistentes e holográficos, sensores ópticos, instrumentos para medir ondas eletromagnéticas, lentes, grades ópticas, multiplexadores, filtros ópticos, cabeças de impressão, eletrólitos para baterias de estado sólido, dispositivos para detecção de poluentes, fibras ópticas especiais e muito mais. A aplicação mais promissora, no entanto, é a de lentes ópticas para transmissão de ondas de infravermelho, visto que os vidros calcogenetos são transparentes a este tipo de radiação.

Fontes:

Modernas aplicações de vidros – Oswaldo Alves;

HEWAK, Daniel W.; BRADY, D.; CURRY, R. J. Chalcogenide glasses for photonics device applications. GS Murugan, ed.(Research Signpost, Kerala, India, 2010) Chap, v. 2, 2010.

MEHTA, N. Applications of chalcogenide glasses in electronics and optoelectronics: A review. Journal of Scientific and Industrial Research, v. 65, n. 10, p. 777, 2006.

Vantablack – o material quase invisível!

A visão, um dos mais importantes sentidos humanos, consiste na detecção da luz refletida por determinado objeto. Assim, se um objeto absorve todo o espectro luminoso, exceto a cor verde, vemos este na cor verde. Mas o que aconteceria se um objeto absorvesse toda a luz que nele é emitida? Não poderíamos enxergá-lo!

O senso comum trata a cor preta como ausência de luz, mas nem mesmo os objetos pretos absorvem toda a luz neles incidente e, por essa razão, conseguimos enxergá-los. Segundo o professor da Leeds University, Stephen Westland “A menos que você já tenha olhado para um buraco negro, nunca viu algo que realmente não refletisse luz.”.

Em meio a esse contexto, a descoberta do Vantablack pela empresa britânica Surrey Nanosystems é de grande impacto no mundo tecnológico atual.  O material, considerado o mais preto do mundo, reflete somente 0,035% da luz visível. O fenômeno ocorre porque o Vantablack é feito a partir de um emaranhado de nanotubos de carbono, os quais são cerca de 10 mil vezes mais finos do que um fio de cabelo humano, tão pequenos que não permitem que a luz entre em seu interior. Dessa forma, a luz incidente no material passa pelos espaços entre os nanotubos e é refletida inúmeras vezes no interior do material, até que seja absorvida. “Esse novo material é mais próximo a um buraco negro do que conseguimos imaginar”, menciona Stephen Westland. O Vantablack é considerado tão escuro que não permite que os olhos humanos detectem relevos e contornos em sua superfície, mas apenas um aparente abismo, como mostra a imagem.

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Revestimento de Vantablack sobre uma folha amassada de alumínio. Fonte: Surrey Nanosystems

“Você espera ver as dobraduras e tudo que você pode ver é algo preto, como um buraco, como não se não houvesse nada lá. É bem estranho”, comenta Ben Jensen, diretor técnico da Surrey Nanosystems, a respeito da imagem divulgada pela empresa.

As aplicações desse material ainda estão sendo estudadas, mas já sabe-se que poderão ser utilizados em câmeras astronômicas, telescópios e sistemas de digitalização de infravermelho. Há também a possibilidade de aplicações militares para o material, sobre as quais a Surrey Nanosystems prefere não dar maiores detalhes.

Leia mais sobre o Vantablack em:

Surrey NanoSystems has “super black” material;

Blackest is the new black: Scientists develop a material so dark that you can’t see it;

Pesquisadores criam material tão preto que se torna invisível;

Conheça o Vantablack, o material mais escuro do mundo.