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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Vidros autolimpantes

Você já conhece os vidros autolimpantes? Estes vidros apresentam remoção completa de sujeiras da superfície a partir de dois agentes muito comuns em nosso cotidiano: raios ultravioleta e água da chuva. Para que isso seja possível, os vidros autolimpantes contam com a adição de uma camada externa contendo partículas de dióxido de titânio (TiO2), que age contra os resíduos orgânicos e inorgânicos e não interfere na aparência do vidro, que é mantida idêntica à do vidro convencional.

Para a eliminação das moléculas orgânicas e inorgânicas, a camada contendo dióxido de titânio precisa apresentar duas características: fotocatálise e hidrofilia, respectivamente.  A quebra das moléculas orgânicas ocorre a partir da incidência de raios ultravioleta, que fornecem energia superior à energia de GAP do dióxido de titânio, que é um semicondutor. Assim, elétrons do dióxido de titânio são movidos de sua banda de valência para a banda de condução, e há um movimento de lacunas no sentido contrário.  Na presença de água absorvida na superfície do dióxido de titânio, esse movimento de elétrons e lacunas desencadeia uma reação de oxirredução que irá eliminar as substâncias orgânicas: as lacunas da banda de valência geram radicais hidroxila (OH.), altamente oxidantes, que reagem com os compostos orgânicos, decompondo-os. Ao mesmo tempo, uma reação de redução é desencadeada a partir da reação de um elétron com a molécula de água, formando hidrogênio. Quando a incidência luminosa é cessada, o fotocatalisador retorna a seu estado inicial de inatividade.

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Estrutura de bandas de um semicondutor, mostrando o fluxo de elétrons e lacunas.

Para efetuar a remoção de poeiras e resíduos inorgânicos, o vidro autolimpante conta com a ação de chuva ou de um jato de água. O produto é hidrofílico, ou seja, absorve bem a água. Assim, diferentemente dos vidros comuns, nos quais ocorreria a formação de gotículas, nos vidros autolimpantes a água escorre uniformemente por toda superfície, garantindo a remoção da sujeira. Além disso, a secagem em vidros hidrofílicos é muito mais veloz e não deixa manchas no vidro. Para garantir o bom funcionamento, o vidro deve ser instalado com inclinação mínima de 10 graus, permitindo bom escoamento da água.

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Comparação entre vidro comum e vidro autolimpante. Fonte: Vidro Mix

Os benefícios dos vidros autolimpantes, além da economia de tempo, são a diminuição da utilização intensiva de detergentes poluidores e da frequência de lavagens, economizando água, diminuindo custos e trabalhando a favor do meio ambiente. Estes vidros podem ser utilizados em todos os ambientes que sofram incidência de radiação solar, mas são recomendados principalmente para locais em que a limpeza dos vidros é difícil, como na fachada de edifícios, ou locais altamente poluídos, como em áreas industriais e aeroportos.

Fontes:

Associação Brasileira de Distribuidores e Processadores de Vidros Planos (Abravidro);

Fotocatalisador;

AEC Web;

Vidro Mix.

Quer saber mais sobre vidros?? Confira alguns de nossos posts:

Vidros eletrocrômicos

Qual é o segredo do Gorilla Glass?

Vidros escorrem ao longo do tempo?

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Nanomateriais transportadores de medicamentos

Um dos ramos mais promissores dentro da engenharia de materiais com certeza é o dos biomateriais e um grande exemplo são os nanomateriais distribuidores de medicamentos. Esses materiais servem como sistemas que permitem a liberação do remédio em um local específico e controlado, com isso é possível que aumente a eficácia do tratamento, diminuindo os efeitos colaterais e também diminuindo a quantidade de fármaco utilizado. Os principais requisitos que devem possuir esses polímeros são: eles não podem ser tóxicos, não imunogênicos e devem ser rapidamente eliminados do corpo para evitar acúmulo tóxico e efeitos colaterais.

Os medicamentos no nosso corpo enfrentam uma série de barreiras até chegar ao seu destino final, por exemplo a filtração que ocorre nos rins. No tecido ou na célula o remédio deve ultrapassar a membrana plasmática e dentro da célula deve escapar de um ácido severo, sendo assim proteínas e oligonucleotídeos são degenerados ou inativados.

Para solucionar o problema da filtração pelos rins e da remoção através do sistema do retículo endotelial as proteínas são aumentadas para cerca de 10 nm através do enxerto do polímero hidrofílico poli(etileno-glicol), isso é feito porque as moléculas maiores são filtradas mais lentamente pelos rins.

Um dos estudos comentados na reportagem da Science Mag desenvolveu um fármaco utilizando polímeros que aumentam a meia-vida da exenatida, que é um remédio peptídico utilizado no tratamento de diabetes do tipo 2 geralmente aplicado 6x ao dia, de 2 horas para aproximadamente 100 horas! Outras grandes aplicações são o combate de tumores e em vacinas, por exemplo.

Os polímeros nesse caso possuem uma grande vantagem em relação aos outros tipos de materiais, pois possuem uma grande versatilidade em estrutura e nas propriedades físico-químicas devido a grande variedade de monômeros existentes para formar as cadeias poliméricas. Os mais utilizados são os polymersomes, dendrimeros e polímeros de ciclodextrina.

Além disso alguns polímeros possuem grupos químicos que possuem a habilidade para se adaptar de acordo com o ambiente, que são chamados de “polímeros inteligentes”. Algumas dessas adaptações podem estar relacionadas com o pH, resistência mecânica, temperatura e condutividade.

Uma pesquisa da Universidade de São Paulo (USP) com o Instituto de Pesquisas Tecnológicas em 2010 gerou uma patente de um nanocarregador que transporta drogas hidrofílicas (solúveis em água) que era inédito na época. O produto criado pelos pesquisadores Antonio Cláudio Tedesco e Natália Neto Pereira Cerize pode ser empregado em diferentes partes do corpo e é uma substância biocompatível. Ele também foi aplicado em testes laboratoriais no tratamento de câncer de pele.

Como tudo criado no laboratório, grande parte desses nanomateriais ainda estão em períodos de testes e ajustes para obter-se propriedades importantes como estabilidade, distribuição de tamanho, eliminação do corpo no tempo previsto, não formação de substâncias indesejáveis e precisão no alvo que se deseja atingir.

FAPESC – Nanotecnologia para transporte eficaz de medicamentos

Hubell J.A.; Chilkoti A. “Nanomaterials for Drug Delivery”. ScienceMag (2012), VOL 337, pg. 303.

Webster D.M.; Sundaram P.; Byrne M.E. Injectable materials for drug delivery: Carriers, targeting moieties, and therapeutics.

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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.

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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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O metal de 2 bilhões de reais

Quando pensamos em metais preciosos logo nos vêm à cabeça prata, ouro, platina.. Mas o valor econômico desses materiais nem se compara a um metal que você possivelmente nunca ouviu falar: o califórnio, que custa cerca de 2 bilhões de reais por quilograma. No entanto, antes que pensemos em percorrer o mundo à procura de minas de califórnio, é importante saber que esse material é produzido apenas em laboratório, por meio de aceleradores de partículas ou reatores nucleares.

O califórnio, representado pelo símbolo Cf, é radioativo e foi descoberto em 1950 por Thompson, Ghiorso, Street e Seaborg, durante a irradiação e fraccionamento de alguns microgramas de Cúrio 242 utilizando íons de hélio. Durante esse processo, foi detectada uma nova fonte radioativa, que se descobriu ser um novo elemento. Uma vez que a experiência ocorreu na Universidade da Califórnia, o elemento foi batizado de Califórnio, em homenagem ao estado norte-americano.

Apesar de apresentar um custo econômico tão elevado, o elemento é utilizado em várias aplicações, as quais, devido aos custos envolvidos, normalmente são de grande impacto e importância. Outro fator que permite seu uso é o fato de usualmente serem necessárias pequenas massas de califórnio, pois um único micrograma de Cf-252, por exemplo, produz 170 milhões de nêutrons. Assim, a produção média deste material nos anos 2000 encontrava-se próxima a 250 mg por ano. A propriedade de forte emissor de nêutrons permite o uso de compostos de califórnio em dispositivos medidores de umidade por nêutrons, os quais detectam fontes de água e óleo em poços de petróleo. Permite também, através da técnica de ativação de nêutrons, a detecção de minérios de prata e ouro, localização de minas terrestres e de explosivos, uso como fonte de radiação para medicina, no combate ao câncer, e análise da superfície de outros planetas por meio de sondas espaciais. Além disso, o material é uma excelente fonte de nêutrons para reatores nucleares. Outras aplicações interessantes do califórnio são a atuação em detectores de trincas, utilizados por exemplo no monitoramento do tamanho de trinca em estruturas de aviões, evitando que falhem durante o voo, e em detectores de metais, talvez a aplicação mais presente em nosso cotidiano.

Um dos maiores desafios, além da elaboração de técnicas que facilitem a obtenção de califórnio, diminuindo o custo da substância e expandindo suas aplicações, é o isolamento do material na forma metálica. Atualmente, somente alguns compostos foram obtidos e estudados, como óxido de califórnio (Cf2O3), tricloreto de califórnio (CfCl3) e oxicloreto de califórnio (CfOCl).

Fontes:

MARTIN, R. C.; KNAUER, J. B.; BALO, P. A. Production, distribution and applications of californium-252 neutron sources. Applied Radiation and Isotopes, v. 53, n. 4, p. 785-792, 2000.

Ciência e Tecnologias

Quimlab

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Por onde anda o grafeno

A primeira vez que o grafeno foi produzido foi em 2003 pelos cientistas Andre Geim e Konstantin Novoselov na University of Manchester na Inglaterra. Desde lá várias reportagens saíram nomeando-o como um dos materiais mais promissores, como o material do século e prometendo grandes mudanças no nosso cenário tecnológico mundial. Dessa maneira eles ganharam o prêmio Nobel de Física do ano de 2010 pelos os seus estudos inovadores com grafeno. E depois de todo esse tempo, por onde andam as pesquisas?

Bom, primeiro é muito importante entender porque esse material possui tanto investimento em pesquisas relacionadas: Umas das incríveis propriedades dele é que ele é aproximadamente 200 vezes mais forte que o aço, além de poder suportar 50000 vezes o seu próprio peso, ou seja, o material mais resistente à tração já testado. Além disso ele possui uma densidade muito baixa comparado aos metais e volta a sua forma original após ser comprimido em até 80%. Ainda mais, as suas propriedades eletrônicas superam as do silício, pois ele é um semi-condutor com um GAP nulo, além de ter uma resistividade menor do que a prata, é duas vezes mais condutor térmico que o grafite pirolítico e por fim possui propriedades ópticas únicas! Isso se deve ao fato que ele possui uma estrutura hexagonal de distribuição dos seus átomos individuais, que irá gerar uma folha plana que pode ser transformada em nanotubos de carbono ao serem enroladas.

 images Esquema da estrutura do grafeno. Fonte

Se ele é um material tão bom assim, por que ainda não é comum vermos produtos feitos de grafeno?

O principal desafio hoje nas pesquisas é produzi-lo em quantidades comerciáveis e manter todas essas propriedades descritas anteriormente durante o processo. Essa grande dificuldade de fabricação tem origem no fato que a folha do material tem a espessura muito pequena, que atualmente só é produzida em laboratório. Algumas das pesquisas que envolvem o processo de fabricação consistem em deposição química em fase vapor (CDV), freeze casting, plasma e esfoliação. Essa última consiste em menores custos, ou seja, é a que está mais perto de se transformar em uma produção de grande escala.

No vídeo abaixo a Physics World entrevistou o centro de estudos na University of Manchester. Nele é explicado um dos processos manuais que pode-se obte-lo, é citada algumas de suas propriedades e também uma das possíveis aplicações, como dispositivos flexíveis, chips para computadores e em baterias.

Uma das únicas instituições de ensino que estudam o grafeno no Brasil é a Mackenzie, que possui seu centro de pesquisa sobre grafeno e nanomateriais, o Mackgraphe, criado em 2013. O principal objetivo deles é executar a síntese do material através dos processos mencionados anteriormente, esfoliação e CDV.

Você pode ler mais em:

Graphene’s Promisses Persists

Fabrication Methods

Scientific American

Conheça o grafeno – Tecmundo

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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!

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BBC News

Pioneers in metamaterials: John Pendry and Victor Veselago

A Revolução dos Metamateriais

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MAX Phases – Cerâmicas com propriedades metálicas.

Nunca metais e cerâmicas estiveram tão próximos em comportamento como ocorreu após a síntese dos chamados Max Phases, descobertos na década de 90 e ainda hoje alvo de inúmeros estudos. Esse grupo de carbetos ou nitretos ternários abrange mais de 60 composições, representadas pela fórmula geral M(n+1)AXn, na qual M é um metal de transição, A é um elemento da família A (geralmente IIIA ou IVA), X é Carbono ou Nitrogênio e n é um número  que pode variar de 1 a 3. Esta fórmula geral, que apresenta os elementos M, A e X mencionados anteriormente e mostrados na Figura abaixo, é a razão pela qual o material possui este nome.  A Figura também apresenta as 60 MAX Phases descobertas até então.

Tabela

Fonte: An Introduction to MAX Phases – Prof. Michel Barsoum

Os materiais cerâmicos com que estamos habituados são frágeis, isolantes térmicos e elétricos e apresentam uma plasticidade extremamente baixa, diferentemente das características apresentadas por grande parte dos metais. Assim,  por serem bons condutores térmicos e elétricos (normalmente melhores do que o titânio), apresentarem boa resistência ao choque térmico, boa usinabilidade,  maior tenacidade do que as cerâmicas convencionais, elevada plasticidade a elevadas temperaturas e, em alguns casos, boa resistência à fadiga,  os MAX Phases são considerados verdadeiras pontes entre materiais metálicos e cerâmicos.  Outras propriedades comuns e de grande interesse tecnológico presentes nesses carbetos e nitretos ternários são o baixo peso, resistência à fluência e à corrosão e coeficientes de expansão térmicas relativamente baixos.

Devido às suas propriedades, as aplicações dos MAX Phases envolvem principalmente situações em elevadas temperaturas, como bicos queimadores de gás, refratários dúcteis e usináveis ou também componentes resistentes à irradiação de nêutrons na indústria nuclear, recobrimento para contatos elétricos e utensílios de cozinha antiaderentes.  No entanto o uso deste grupo de materiais ainda não é tão difundido devido ao alto custo. Como são processados normalmente a partir de pós  elementares ou de carbetos binários,  o preço final desses materiais é extremamente dependente do preço dessas matérias primas, e apresenta-se em torno de 500 dólares por quilograma. Ao final do processamento, os MAX Phases podem ser obtidos na forma de pó, espumas, filmes finos, revestimento ou em sólidos que serão posteriormente trabalhados para adquirir a geometria dos componentes desejados. É esperado que com o desenvolvimento tecnológico e com o aumento da demanda futura para os MAX Phases, sejam desenvolvidas novas formas de síntese a partir de pós de menor custo, aumentando a competitividade da classe de materiais.

Fontes:

An Introduction to MAX Phases;

MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics.

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