Filme polimérico que muda de cor quando dobrado

A natureza é uma grande fonte de inspiração e de análise pelos cientistas. Os materiais bioinspirados são aqueles, como o nome já diz, que imitam os materiais provenientes da natureza e suas estruturas, mas são produzidos artificialmente. Lembra dos materiais luminescentes bioinspirados que falamos neste post? No caso que falaremos hoje, não foi exatamente isso o que aconteceu, pois os engenheiros começaram a produzir o material antes mesmo de se ter conhecimento de como os camaleões, exemplo típico da natureza de mudança de cor, mudam de cor, mas criaram um sistema muito semelhante a eles.

sn-chamskin

Fonte imagem

Primeiro é muito importante entender como ocorre o fenômeno de absorção e reflexão que permite que a gente veja determinada cor. Considerando uma superfície qualquer: A composição química única da superfície absorve vários comprimentos de onda de luz, os que não são absorvidos são refletidos de volta. Dependendo dos tamanhos do comprimento das ondas refletidas, vamos enxergar uma cor específica do objeto. Assim, quanto menores eles forem mais azulado o material vai ser e quanto maior mais avermelhado. Quando uma folha de árvore, por exemplo, muda do verde para uma tonalidade alaranjada no outono, está ocorrendo uma alteração na composição química da folha.

Esse ano pesquisadores da Suíça revelaram que não é através da alteração da composição química que ocorre a mudança de cor nos camaleões, mas sim que eles mudam a forma com que os componentes da pele refletem a luz. O mecanismo consiste em alterar o equilíbrio de sal de algumas células específicas, o que faz com que aumente a absorção de água, aumentando a distância entre os cristais que estão organizados numa estrutura 3D. Dessa forma, é refletido um comprimento de onda de luz maior.

A Universidade de Berkeley criou um filme polimérico que muda de cor quando deformado, que funciona de forma muito semelhante ao sistema do camaleão. Para fazer isso eles fizeram gravações num filme de silício, menores que o comprimento de onda da luz, que permitem selecionar quais as cores que o material poderá refletir, dependendo de como ele for deformado. Então, o incorporaram dentro de um filme plástico. Quando ele é dobrado, fletido, esticado ou curvado, a distância entre os feixes será alterada, produzindo alterações na cor. O material funcionou tão bem que refletiu 83% da luz incidida.

Além de serem utilizados como sinalizadores de possíveis defeitos e deformações em componentes mecânicos, acredita-se que esses materiais teriam grande aplicação em telas com alta eficiência de energia, como por exemplo nos e-readers e em outros eletrônicos. As telas coloridas de dispositivos eletrônicos como os iPads e Kindle consomem muito a bateria, pois eles utilizam energia para forçar elementos da tela para emitir tais cores. Seria muito interessante ganhar umas horas a mais de bateria, não é mesmo?

No blog já falamos sobre os polímeros que mudam de cor conforme a temperatura é alterada, para relembrar dele clique aqui!

Fonte:

Sciencemag

Compartilhar Matéria:

A pele artificial que será criada pelo processo de impressão 3D

A marca de cosméticos L’Oreal fechou recentemente um acordo com a empresa Organovo para a produção de uma pele artificial produzida à partir da técnica de impressão 3D para substituir os testes em animais. Confesso que fiquei um pouco triste com a notícia, pois uma pele artificial estava na minha lista de “Materiais para Inventar”, mas a minha felicidade com certeza foi muito maior em saber que um dos meus sonhos vai se tornar realidade em aproximadamente 5 anos. A engenharia e a criação desse novo material vai poupar a vida de milhões de animais, pois a cada ano 100 milhões de animais são sacrificados em testes em laboratórios, segundo a Peta (People for the Ethical Treatment of Animal).

_83089659_l'oreal

Fonte imagem

A L’Oreal já trabalha com tecidos doados por pacientes de cirurgias plásticas e existem nove tipos de amostras, com doadores de diferentes etnias e idades. Geralmente são colocadas essas células em um suporte de hidrogel e, em seguida, utilizadas como matéria-prima nas impressoras. Esse é um grande exemplo do intercâmbio de informações que deve ocorrer entre os profissionais da área de engenharia e das áreas biológicas.

Mas a Organovo trabalha com um processo diferente, sem utilizar essa base com hidrogel. Curiosamente, a empresa está à procura de um engenheiro de materiais que trabalhe com biomateriais para desenvolver materiais que melhorem a estrutura e a construção das estruturas celulares através da impressão.

A impressão 3D

A impressão 3D já existe desde 1984, mas há poucos anos que ela vem se desenvolvendo intensamente. O processo consiste em criar um objeto tridimensional através da adição de material em forma de camadas. Ela é um tipo de fabricação que cria objetos sólidos através de modelos digitais, chamada aditiva, entre outros exemplos podemos citar a fusão a laser e também a moldagem por injeção. Os materiais hoje mais trabalhados na impressão 3D são os polímeros, entre eles o ABS, o PLA e o  nylon. Além disso é possível processar o alumide (material feito com nylon, polímero e alumínio), aço inoxidável, ouro e platina.

Outro tipo de pele artificial

Há alguns anos, cientistas da universidade de Stanford criaram a primeira pele artificial que é sensível à pressão e é capaz de se auto-curar. Antes desse material, para ser curado o polímero deveria ser submetido a altas temperaturas e isso não é nem um pouco praticável, considerando que uma pessoa irá utiliza-lo. Outro polímeros não eram condutores, o que limitava muito as aplicações.

Com a criação de Zenhan Bao isso foi possível! O segredo consiste na ligação de hidrogênio entre duas moléculas e a fraca atração entre a região de carga negativa de um átomo com a região de carga positiva do átomo seguinte. Assim, essa fraca ligação permite que os átomos se separem, mas que se reconectem em seguida, ao se reorganizar para restaurar a sua estrutura após a fratura. Para aumentar a resistência mecânica e a condutividade, partículas de níquel foram adicionadas ao polímero. Além disso, o material consegue restaurar-se 75% em apenas alguns segundos e 100% em até meia hora.

Se você ficou interessado na vaga da Organovo, ela está disponível nesse link. (Visto pela última vez em 23-10-2015)

E se você quiser ler mais sobre o assunto você pode pesquisar na BBC e no Polymer Solutions

Compartilhar Matéria:

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.

tração

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:

TRIP

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.

Compartilhar Matéria:

Superplásticos com nanopartículas de argila

Quando pensamos em argila nos vem à mente vasos de cerâmica, ou aplicações que vemos como simples, que não possuem novas tecnologias envolvidas. Mas na verdade, hoje existem vários trabalhos com esse material nanoparticulado aplicado na área de cosméticos e, como falaremos hoje, na área de nanocargas de polímeros.

Primeiramente, é muito comum adicionarmos diferentes cargas aos polímeros com o intuito de alterar as suas propriedades. Elas podem ser:

Aditivos de modificação

  • Reforço (melhoram propriedades de tração, compressão, estabilidade térmica e dimensional, tenacidade e abrasão), extensores (diminuem o custo de produção), plastificantes (aumentam flexibilidade), espumantes, corantes e agentes de reticulação.

Aditivos de proteção

  • Antioxidantes (retardam o envelhecimento), protetores UV, retardantes de chamas, estabilizantes de chamas e antiozonantes.

A argila pode ser utilizada como carga com o objetivo de retardar a chama e de diminuir o custo de produção, por poder ser produzida em larga escala, possuir menor impacto ambiental do que outros aditivos, gerar menos poeira e ser estável em temperaturas acima de 600 graus celsius.

Por causa de todas essas vantagens, foi criado o nanocompósito polimérico reforçado com argila. No estudo realizado na Universidade Federal do Piauí foi utilizada argila bentonítica, proveniente de uma rocha constituida por um argilomineral montmorilonítico, formado através de desvitrificação seguida pela alteração química de um material vítreo, originária de uma cinza ou um tufo vulcânico. A versatilidade da bentonita permite grandes modificações planejadas da sua microestrutura com o intuito de obter propriedades específicas do material, esse conceito de manipulação é conhecido como “taylor made”.

A argila se encontra em forma de lamelas no material de aproximadamente 1 nm de espessura e centenas de nanômetros de comprimento e de largura. Porém, a mistura entre o polímero e a argila muitas vezes não resulta em um nanocompósito, devido às fracas interações entre o elemento orgânico e o inorgânico. Caso a interação seja mais forte, ela poderá se organizar em forma de lamelas como é o ideal e para obtê-la se utiliza a organofilização da argila.

Mas o que é essa reação de organofilização?

Sem título

Esquema de como ocorre a organofilização. Fonte imagem

Ela consiste nesse caso numa troca catiônica. Os cátions das galerias da argila, geralmente os Na+ por serem facilmente trocados, como é visto acima, são trocados por cátions orgânicos de sais quaternários de amônio. A adição dessas moléculas no material inorgânico gera expansões entre os planos da argila, alterando sua natureza hidrofílica para hidrofóbica ou organofílica. As argilas organofílicas possuem inúmeras outras funções importantes além de serem utilizadas como carga em polímeros, elas são utilizadas até mesmo em condicionadores, germicidas, amaciantes e cosméticos em geral.

O grande problema das argila organofílicas é que elas possuem riscos ambientais e sanitários devido ao uso dos sais, então a vantagem antes citada de adicionar esse material como carga por ser ambientalmente correto não pode ser mais considerada. Porém existem novas pesquisas para substituir as aminas problemáticas por um composto chamado de fosfato de difenila resorcinol.

Quais outras aplicações de engenharia para a argila você conhece?

Você pode ler mais em:

Materiais sobre aditivos de polímeros

Inovação Tecnológica – Argila organofílica

BARBOSA R., MORAIS D. D. S., ARAUJO E. M., MÉLO T. J. A. Caracterizações de argilas bentoníticas e síntese de argilas organofílicas para uso em nanocompósitos poliméricos – Parte II. Revista Cerâmica (58), páginas 495-499, 2012.

SILVA I. A., COSTA J. M. R., FERREIRA H. S., MENEZES R. R., NEVES G. A., FERREIRA H. C. Organofilização de argilas bentoníticas com tensoativos não-iônicos visando seu uso em fluidos de perfuração base óleo. Revista Cerâmica (58), páginas 317-327, 2012.

Compartilhar Matéria:

Bioplásticos

Na era atual, em que se recorre cada vez mais a matérias-primas de fonte renovável, uma classe de polímeros torna-se bastante promissora: Os bioplásticos. Diversos fatores tornam estes materiais especiais, seja por demandarem bem menos energia na sua produção, serem recicláveis, absorverem gás carbônico ou ainda, em sua maioria, serem biodegradáveis e compostáveis.  A absorção de gás carbônico por meio destes polímeros está relacionada à fotossíntese dos produtos agrícolas usados em suas composições, que podem ser cana-de-açúcar, batata, mandioca, babaçu, milho, etc. Isto permite a absorção de 2 a 2,5 kg de CO2 para cada quilo de polímero produzido, enquanto o plástico convencional produz cerca de 6kg de CO2 por quilo. Agora que já sabemos sobre suas vantagens, vamos conhecer um pouco mais sobre os bioplásticos.

Um dos grandes nomes no ramo de bioplásticos no Brasil é o engenheiro de materiais João Carlos de Godoy Moreira, o qual, junto com pesquisadores da USP – São Carlos, contribuiu bastante para o conhecimento sobre biopolímeros à base de amido.  Vejam que o amido por si só já é um polímero natural, como mostra a Figura:

macromolecula-de-amido

Estrutura do amido.

Assim, se submetido a alterações de pressão e temperatura, o amido tradicional pode ser transformado em amido termoplástico, que é vendido na forma de pellets, como estes que vemos abaixo:

 pellets

Pellets de termoplásticos de amido. De cima para baixo: cana-de-açúcar, milho, batata e mandioca. Fonte: Biomater

Já é possível encontrar no mercado produtos feitos a partir de biopolímeros, tais como bandejas e copos descartáveis de fécula de mandioca, um substituinte para o isopor feito a partir de cogumelo (que mencionamos nesta publicação) ou saquinhos de polietileno verde, feitos de etanol de cana-de-açúcar, que muitos de vocês já devem ter visto no supermercado na hora de embalar frutas e legumes.  O polietileno verde mantém as mesmas propriedades do polietileno tradicional e ambos podem ser reciclados dentro da mesma cadeia de reciclagem. No entanto, o fato de ser proveniente de fonte renovável, não faz do PE verde biodegradável. Apenas 70% dos bioplásticos são de fato biodegradáveis, levando em média 180 dias para efetuar a completa decomposição.

Verifiquem na hora de escolher os produtos que irão consumir: Os bioplásticos são mais benéficos ao planeta do que os plásticos convencionais, mas são ainda melhores quando são compostáveis. Isto porque os polímeros compostáveis não somente são biodegradáveis como também liberam muitos nutrientes benéficos ao solo, gerando um grande círculo virtuoso. Em outras palavras, o plástico é produzido, consumido e coletado, em seguida retorna ao solo, fertiliza-o e dá-se origem a novas plantações de matéria-prima para bioplásticos, que por sua vez transformam-se em mais deste material e o ciclo é reiniciado. Assim, esta categoria de bioplásticos além de apresentar todas as vantagens já mencionadas, ainda auxilia no combate à deposição excessiva de plástico em nossos aterros sanitários.

Para finalizar, observem que infelizmente produtos como o polietileno verde, os copos e bandejas de fécula de mandioca ou mesmo os pellets de termoplásticos de amido ainda não dominam o mercado, apesar de vantajosos em muitos aspectos.

Por que isto acontece?

Ainda há algumas limitações quanto à produção de bioplásticos, por exemplo a necessidade de mais pesquisa para o aprimoramento desta classe de materiais e os preços mais elevados em relação aos polímeros provenientes de matéria-prima fóssil convencional.

Assim, cabe a nós, consumidores conscientes, refletirmos mais sobre os produtos que levamos para nossas casas e verificarmos que nem sempre o menor preço compensa. Consumidores conscientes geram indústrias conscientes!

Fontes:

Termoplásticos de Amido – Planeta Sustentável;

Polietileno Verde – Braskem;

Copos de Mandioca – Planeta Sustentável;

Copos de Mandioca – G1.

Compartilhar Matéria:

Falha prematura de materiais poliméricos

A falha de um material é um fenômeno geralmente indesejado na utilização de componentes. Claro que há algumas exceções, como por exemplo a tampa de uma garrafa, em que a falha do material deve ocorrer para que ela possa ser aberta.  No entanto, a falha normalmente é associada ao fim da vida do componente, de forma que esta deva ser considerada no projeto do mesmo. Assim, são realizados os devidos ajustes para que o material dure pelo período de tempo estimado para a vida do componente.

Mas e se a falha for prematura? Neste caso nem o projeto é capaz de se preparar para ela.. cabe ao engenheiro responsável o conhecimento prévio para deduzir se há a possibilidade de acontecer uma falha prematura, considerando as condições de aplicação do componente e a matéria-prima utilizada. Em polímeros, 25% dos casos de falha prematura são associadas à aplicação de tensão (ou mesmo tensão residual no componente, proveniente do processo de fabricação) em conjunto com um meio agressivo àquele polímero, o que chamamos de environmental stress cracking (ESC), termo que não tem uma tradução muito adequada no português.

PET em NaOH

PET deformado a 5mm/min na presença de NaOH, sofrendo stress cracking. Adaptado de Rabello et al., 2009.

Para prever a ocorrência de ESC, é importante conhecer quais meios podem ser prejudiciais ao polímero utilizado. Normalmente, o meio é um fluido que apresenta uma interação intermediária com o polímero, não tão extrema como a solubilização, tampouco tão fraca quanto a inércia. Na tabela abaixo mostramos alguns exemplos de fluidos que podem provocar stress cracking em alguns polímeros.

2

Interações polímero-meio que poderão ocasionar ESC. Fonte: Rabello.

Acredita-se que a falha por stress cracking ocorra pela penetração do fluido agressivo em algum defeito microscópico, quando o material encontra-se tensionado. Assim, a região é plastificada localmente e ocorre multifibrilamento (crazing), ou seja, são nucleados microvazios entre cadeias poliméricas bastante orientadas, as quais continuam a suportar parte da carga. A continuação deste fenômeno leva ao desenvolvimento de trincas, as quais propagarão e levarão o material a uma fratura catastrófica, frágil.

crazing

Multifibrilamento (crazing). Adaptado de: DEBLIECK, et al., 2011.

Como o fenômeno de ESC é relacionado à difusão de fluido no material, os polímeros amorfos irão ser mais susceptíveis a este tipo de falha, uma vez que apresentam maior volume livre entre suas cadeias poliméricas.

O vídeo abaixo mostra uma sequência de fotografias de CPVC (policloreto de vinila clorado) exposto a ftalatos, acompanhando a ocorrência de environmental stress cracking neste polímero.

Fontes:

WRIGHT, D. C. Environmental Stress Cracking of Plastics. Rapra, Shawbury, 1996.

HANSEN, C. M. On predicting environmental stress cracking in polymers. Polym. Degrad. Stab., vol. 77, p.43, 2002.

TURNBULL, A.; MAXWELL, A. S.; PILLAI, S. Comparative assessment of slow strain rate, 4-pt bend and constant load test methods for measuring environment stress cracking of polymers. Polym. Test., vol. 19, p.117, 2000.

RABELLO, M.S., et al. Stress cracking e ataque químico do PET em diferentes agentes químicos. Polímeros, vol.19, no.3,  2009.

DEBLIECK, R. A.C., et al. Failure mechanisms in polyolefines: The role of crazing, shear yielding and the entanglement network. Polymer, vol. 52, p. 2979-2990, 2011.

Compartilhar Matéria:

Cristais do Aquaman – Diga adeus aos tanques de oxigênio!

A verdade é que inúmeras vezes a ciência se baseia em filmes ou desenhos, já falamos por aqui por exemplo da capa de invisibilidade do Harry Potter e semana passada falamos sobre músculos artificiais inspirados do braço do Luke Skywalker. Um dos heróis da DC Comics, o Aquaman, além de poder nadar em altas velocidades e se comunicar com a vida marinha ele podia respirar embaixo da água. Incrível não? Muito melhor do que os cilindros de ar que podem chegar a pesar 15 quilos!

Em busca desse sonho, a professora Christine McKenzie e seu aluno Jonas Sundberg da University of Southern Denmark sintetizaram um material que consegue absorver grandes quantidades de oxigênio e armazená-lo. Além da aplicação citada acima, esse material também auxiliará pessoas com problemas médicos e também necessitam do tanque e em carros que utilizam células combustíveis.

140930113254_1_540x360

Equipe envolvida no projeto. Fonte imagem

O fato de um material reagir com o oxigênio não é nenhuma novidade, na verdade vivenciamos isso no nosso dia a dia, como por exemplo com a comida e com o vinho por exemplo. O grande diferencial desse material, então, é que a reação do oxigênio com ele não é irreversível. Assim o material pode absorver, armazenar e transportar o gás, tornando-o não só um recipiente, mas também um sensor. E ele é tão eficaz que um balde de 10 litros do material é capaz de absorver o oxigênio de uma sala inteira!

Outro fator bem importante é que ele consegue absorver e liberar o gás várias vezes sem perder a sua função. McKenzie explica que seria como mergulhar uma esponja na água, apertar para eliminá-la e novamente fazer com que ela retenha mais água.

E como o oxigênio pode ser gerado?

Quando o cristal for aquecido lentamente, ele vai começar a ser liberado ou também irá liberar quando submetido à baixas pressões. Hoje, os pesquisadores estudam se seria possível fazê-lo liberar através da emissão de luz.

A composição química deste material é [{(bpbp)Co2II(NO3)}2(NH2bdc)](NO3)2$2H2O, onde bpbp =  2,6-bis(N,N-bis(2-pyridylmethyl)- aminomethyl)-4-tert-butylphenolato, e  NH2bdc2 = 2-amino-1,4-benzenedicarboxylato. Mas o mais importante disso tudo é o cobalto! Ele é o elemento que dará ao material a estrutura eletrônica ou molecular que permite que o material absorva o oxigênio de suas redondezas. Os seres humanos e os seres que respiram utilizam pequenas quantidades de metais para a absorção de oxigênio, em nós, por exemplo, o metal utilizado é o ferro, mas alguns animais podem utilizar até mesmo o cobre. Outro ponto bem importante para esse efeito foi a cristalização do material. Com ela pode-se ver essa absorção e liberação do gás, já a rápida precipitação formou um pó amorfo incapaz ou pouco capaz de fazer a reação inversa com O2.

A absorção do material pode levar de segundos até dias, porque depende muito do ambiente que ele se encontra e de suas variáveis (pressão, temperatura e quantidade de oxigênio presente). Além disso, diferentes versões desse material podem atuar em diferentes circunstâncias, por exemplo uma máscara com várias camadas poderia fornecer à uma pessoa oxigênio diretamente do ar sem precisar de equipamentos sofisticados de alta pressão ou bombas. Poucos gramas do material poderiam prover O2 suficiente para uma pessoa e podem até absorver o gás da água.

A má notícia é que ainda vamos ter que esperar por um bom tempo para desenvolver os outros superpoderes do Aquaman!

Referências:

  1. Jonas Sundberg, Lisa J. Cameron, Peter D. Southon, Cameron J. Kepert, Christine J. McKenzie. Oxygen chemisorption/desorption in a reversible single-crystal-to-single-crystal transformationChemical Science, 2014; 5 (10): 4017 DOI: 10.1039/C4SC01636J
  2. University of Southern Denmark. “New material steals oxygen from air.” ScienceDaily. ScienceDaily, 30 September 2014. <www.sciencedaily.com/releases/2014/09/140930113254.htm>.
Compartilhar Matéria:

O material que imita os músculos

Quem não lembra do duelo de Luke Skywalker e do Darth Vader no no episódio V do Star Wars? Nesse filme, Luke após ferido recebe um braço mecânico igualzinho ao original. Isso está cada vez mais perto da nossa realidade por causa dos polímeros eletroativos (EAPs) que imitam os músculos de nosso corpo!

Luke_vs_Vader

Esses polímeros quando estimulados por um campo elétrico podem sofrer uma alteração na sua forma, no seu tamanho (músculos artificiais), na sua cor (dispositivos eletrocrômicos – como os vidros eletrocrômicos e polímeros que mudam de cor) ou uma redução ou oxidação (baterias e capacitares). Também podem ser divididos em dois tipos: eletrônicos ou iônicos. No último tipo citado há a mobilização dos portadores de carga no material quando eles forem polarizados, já nos eletrônicos eles respondem a um estímulo através da mobilidade eletrônica na sua estrutura. Além disso, um material também pode ter os dois tipos de fluxos! Um exemplo de polímero que pode ser utilizado para produzir músculos é o polipirrol, que é um material condutor e possui os dois tipos de correntes, iônica e eletrônica.

Nos Estados Unidos existe uma start up trabalhando com músculos artificiais, a Ras Labs, que possuem um projeto em conjunto com a NASA. Por que a NASA se interessaria em um material desse tipo se a aplicação é mais biomédica?

curiosity-mars-nasa

Curiosity em Marte. (Foto: NASA/JPL-Caltech/MSSS)

Há uma grande importância hoje na utilização de robôs em missões espaciais, as quais seriam muito perigosas para os seres humanos, como podemos ver na missão do Curiosity em Marte. Então robôs com músculos sintéticos terão capacidades bem parecidas com as nossas, podendo realizar tarefas bem mais complexas. Mas o material deve resistir ao ambiente do espaço, como por exemplo devem possuir resistência à radiação. Assim esses materiais foram enviados para permanecer em órbita no foguete SpaceX 6 Falcon 9 nesse ano e irão voltar à terra em 2016 e talvez serão incluídos na missão de Marte de 2020.

O músculo criado pela Ras Labs resiste à temperaturas muito baixas (2 a 4 Kelvin) e também à relativamente altas para polímeros (135°C) e ainda resiste à radiações fatais para os humanos. Lenore Rasmussen, co-fundadora da start-up diz que o material se ajusta ao corpo humano, ou seja vai reagir quando o usuário estiver desidratado depois de uma corrida, por exemplo e até mesmo para manter um certo conforto, irão preencher os espaços do corpo do paciente.

Esse material ainda está em fase de teste, ou seja, ainda não é utilizado comercialmente, mas ele poderá ser ajustado conforme a necessidade do consumidor alterando por exemplo a flexibilidade e ductilidade do polímero, segundo a Ras Labs.

O vídeo abaixo é um vídeo demonstrativo de uma cabeça de um robô feito pela NASA, você consegue imaginar até onde podemos ir com essa tecnologia?

Neste outro vídeo podemos ver como seria o funcionamento do olho (o vídeo é da EAPEX e não pertence ao robô acima)

Você pode continuar a leitura em:

Suprimatec – Materiais futuristas que podem fazer os robôs se sentirem mais humanos

Ras Labs

NASA

PRADO, A. R. Músculos artificiais baseados em polímeros eletroativos aplicados à robótica de reabilitação. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Universidade Federal do Espírito Santo, Espirito Santo. 2008.

Scientific American

Compartilhar Matéria:

Vidro de novela

Você já se perguntou como os atores não se machucam naquela cena de filme ou novela em que um vaso é quebrado em suas cabeças? Ou quando quebram um vidro com um soco e não sofrem qualquer ferimento? Os filmes e novelas são cheios de efeitos especiais, disto nós já sabemos, mas neste caso não é um efeito: é utilizado um diferente tipo de vidro, feito de açúcar.  Na publicação de hoje, aprenderemos como fazer este tipo de vidro e veremos a engenharia de materiais por trás deste processo, compreendendo melhor os mecanismos de formação do vidro.

Para a produção de um vidro, é necessária uma substância vitrificante, que será a formadora do retículo amorfo (ou seja, a estrutura do vidro em si) e um modificador de retículo, que rompe algumas ligações covalentes entre as moléculas do vitrificante e abaixa sua temperatura de fusão. Para fazer o vidro falso a partir de açúcar não é diferente: você deve misturar açúcar (vitrificante), água e glicose líquida/xarope de glicose (substâncias modificadoras de retículo) em uma proporção de 3,5:2:1. Ou seja, se você colocar em uma panela 2 xícaras de água, deve adicionar 3,5 xícaras de açúcar e 1 xícara de glicose líquida ou xarope de glicose, dependendo da cor de vidro desejada – a glicose líquida é utilizada para a produção de vidros transparentes, enquanto o xarope de glicose, para vidros fumê. Caso seja desejada uma cor diferente, pode-se também adicionar algumas gotas de corante da cor desejada durante a fabricação do vidro transparente.

Conhecidos os ingredientes e suas funções, podemos agora apresentar como é realizada a produção do vidro e quais os princípios envolvidos:

1 – Aqueça a água em uma panela, mas sem ferver.

O açúcar, que é composto por sacarose (Figura 1), será dissolvido em água com o objetivo de prejudicar sua cristalização e diminuir seu ponto de fusão. Em outras palavras, a água tem a função de modificadora de retículo e auxiliará na produção do vidro. Este líquido exerce atração sobre as moléculas de sacarose do açúcar, fazendo com que parte delas saia dos cristais e interaja com a molécula de H2O, provocando a solubilização do açúcar. No entanto, à temperatura ambiente nem toda a sacarose consegue ser solubilizada, pois antes disto é formada uma solução saturada, ou seja, a água do recipiente solubiliza todo o açúcar que consegue, mas não toda a quantidade que foi adicionada, fazendo com que parte dos cristais permaneçam na forma original, não homogeneizados. Sabendo que a quantidade de açúcar que pode ser solubilizada aumenta proporcionalmente à temperatura da água, esta deve ser aquecida para a produção do vidro. No entanto, ao atingir o ponto de ebulição, o líquido começa a se tornar vapor e passa a não solubilizar mais açúcar e é por esta razão que a fervura deve ser evitada.

molecula_de_sacarose

Figura 1 – Molécula de sacarose, a qual é composta por glicose e frutose.

2 – Misture a porção de açúcar lentamente à agua aquecida e mexa.

Esta é a parte na qual inicia a solubilização completa da sacarose, fazendo com que se dissolvam os cristais de açúcar. Isto é extremamente importante, pois para adquirir a estrutura amorfa do vidro, a estrutura cristalina original do açúcar deve ser eliminada.

3 – Misture a glicose líquida ou o xarope de glicose e continue mexendo até que a maior parte da água evapore.

A água apresenta uma baixa viscosidade à temperatura ambiente (imagine a água descendo pela parede de um copo e depois imagine a mesma coisa para o mel. É bem fácil estimar quem chegará primeiro ao fundo: a água, visto que é menos viscosa) e isto irá interferir na solidificação do vidro, que desejamos que seja sólido à temperatura ambiente, assim, a água precisa ser eliminada, mas caso isto seja feito, as moléculas de sacarose se unirão novamente e formarão cristais de açúcar. É neste momento que entra a glicose! Ela é um dos componentes da sacarose, como vimos na Figura 1, o que as torna bastante semelhantes quimicamente. Dessa forma, as estruturas apresentam uma boa interação intermolecular e isto atrapalhará a organização das moléculas de sacarose umas com as outras, que levaria à formação dos cristais de açúcar. Em outras palavras, a glicose também atua como modificador de retículo, suprimindo o processo de cristalização.

4 – Despeje a mistura no molde e aguarde o resfriamento.

Como os vidros tradicionais, o vidro de açúcar também é moldado a quente, podendo inclusive ser soprado e conformado de maneira a adquirir geometrias complexas. Uma vez que o vidro é vazado no molde desejado, deve-se esperar que ele resfrie para que se torne sólido e possa ser devidamente manuseado.

Pronto, o vidro está pronto para uso! Agora é a hora em que você assusta sua mãe, quebra o vidro com as mãos e se sente como o batman, ou utiliza seu colega como cobaia mesmo e quebra na cabeça dele. Brincadeira, ainda que seja muito menos perigoso do que o vidro tradicional, o vidro de açúcar também pode nos cortar, então muito cuidado!

Vejamos o vidro em ação:

OBS: Não façam isso em casa!

Fontes:

The Sweet Science of Candymaking – Tom Husband;

Science and Property of Sugar Glass – Sean Kelly;

Como fazer vidro falso que quebra para filmes – EHow.

Compartilhar Matéria:

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.

140717133147-spc-make-create-innovate-asphalt-00032809-story-top

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.

Captura de Tela 2015-09-24 às 20.37.57

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.

Compartilhar Matéria: