Capa de Invisibilidade Ultrafina

Quem nunca ficou fascinado ao ver os filmes do Harry Potter, em que ele utiliza sua capa de invisibilidade para escapar de grandes enrascadas? Isto é magia? Não… é engenharia de materiais! Apesar de nos dias atuais ainda não ser possível o desenvolvimento de capas capazes de cobrir pessoas ou objetos macroscópicos, os cientistas conseguiram recentemente desenvolver pela primeira vez uma capa de invisibilidade ultrafina que é capaz de evitar que partículas micrométricas sejam detectadas pela luz visível.

A capa ultrafina foi desenvolvida pela equipe de Xiang Zhang, um dos maiores nomes mundiais na área de metamateriais – materiais que apresentam propriedades não encontradas na natureza.  A equipe de Zhang, da Universidade de Berkeley, criou uma capa de 80nm de espessura a partir de nanoantenas de ouro, que apresentam a forma de minúsculos tijolos. Quando a luz visível incide sobre a capa ultrafina, ela se comporta como um espelho plano, refletindo as ondas de volta a nossos olhos como se não houvesse nenhum objeto embaixo de si, tornando-o imperceptível. É possível observar isto a partir da figura, na qual mostra-se a capa de invisibilidade cobrindo um objeto e a luz (seta vermelha) incidindo e refletindo sobre a mesma como em um espelho plano.

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Ilustração da capa ultrafina cobrindo um objeto. Fonte: ZHANG et al., 2015.

Para que a capa funcione, cada nanoantena interage com a luz de forma a restaurar sua fase e frente de onda, tornando o objeto escondido. Assim, ao mudar a polarização das nanoantenas consegue-se ligar e desligar a capa de invisibilidade, como mostra o video. Repare como os objetos, representados por dois retângulos pretos, são escondidos através da ação da capa e depois são novamente exibidos quando esta é desligada.

Até o momento, só foram cobertos objetos com o tamanho aproximado de células, pois as nanoantenas devem ser organizadas de forma extremamente precisa para coincidir com as saliências da superfície do objeto que está por baixo. Assim, ainda não é possível esconder regiões muito grandes ou pontudas em comparação ao comprimento das ondas, tampouco objetos que se mexam, pois o movimento acaba com o efeito de ilusão.

Enquanto a capa ainda não pode fazer objetos macroscópicos desaparecerem, poderia dar a ilusão de que apresentam outras dimensões. Assim, por exemplo, aviões de guerra, cobertos pela capa poderiam ser mascarados como aviões de carga. Da mesma forma, outros objetos poderiam ser feitos parecer aquilo que não são. Enquanto isso, os pesquisadores da área de materiais continuam suas pesquisas em rumo a capas com aplicações mais abrangentes, mas a descoberta de Zhang de fato revolucionou a ciência como a primeira capa a poder esconder objetos da luz visível, deixando-nos um passo mais próximos a tornar realidade aquilo que sempre foi retratado como ficção; alcançar a invisibilidade.

Fontes:

Xingjie Ni, Zi Jing Wong, Michael Mrejen, Yuan Wang, Xiang Zhang. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science, 2015.

cientistas estão a um passo de criar a verdadeira capa da invisibilidade – Abril;

Making 3D Objects Disappear – News Center.

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7 materiais futuristas que já existem!

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

Aerogel

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

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

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Aerogel utilizado como isolante térmico. Fonte imagem

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

Nanotubos de carbono

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

Espumas metálicas

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Fonte imagem

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

Metamateriais

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Fonte imagem

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

Alumina Transparente

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

E-textiles

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

Liquid metals

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

E você, quais materiais adicionaria nessa lista?

Você pode ler mais sobre eles nas fontes utilizadas:

Tecnomundo – Aerogel

Nanotubos de carbono

Metal Foams

Alumina transparente

Forbes – Tecido inteligente

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Ecocimentos

Na semana passada começamos a falar sobre a atuação do engenheiro de materiais no mercado de concretos e cimentos, apresentando maneiras de modificar estes produtos para torná-los mais sustentáveis, diminuindo significativamente a emissão de CO2.  (Confira o texto na íntegra). Continuando nesta linha de raciocínio, hoje trouxemos para vocês os ecocimentos, materiais que de modo geral propõem alterações significativas na composição e/ou estrutura do cimento com o objetivo de diminuir consideravelmente os impactos ambientais ou que contêm matérias-primas renováveis ou residuais de outros processos.

O primeiro ecocimento sobre o qual falaremos é feito a partir de bactérias e resíduos. Cientistas descobriram que a bactéria Sporosarcina pasteurii – comumente encontrada em nosso solo – pode produzir, a partir de fermentação por 3 horas de uma mistura de uréia e nutrientes, uma massa bastante interessante para a produção de cimentos. Após adicionar areia, resíduos de cimento industrial reaproveitado e cinzas de casca de arroz a esta massa, o ecocimento está pronto para uso. Infelizmente, a mistura ainda não mostrou o mesmo desempenho do cimento tradicional, mas os cientistas creem que esta estará apta a substitui-lo em cerca de uma década.

Por que este cimento é considerado ecológico?

A resposta é simples, o cimento tradicional é produzido a partir do calcário em uma etapa de transformação que ocorre a 1450°C, enquanto que a fermentação da mistura pelas bactérias ocorre a apenas 30°C, o que provoca a economia de uma enorme quantidade de energia.

Outro tipo de ecocimento é aquele no qual parte do clínquer, material sinterizado que é produzido logo após a queima do calcário a 1450°C, é substituído por cinzas do bagaço de cana-de-açúcar. O bagaço é utilizado como combustível em caldeiras e sua queima tem como resíduo uma cinza composta predominantemente por sílica, cerca de 60% em massa. As vantagens desta substituição parcial são inúmeras; é reduzida a quantidade de cinzas de bagaço de cana-de-açúcar destinada ao aterro sanitário, há a valorização deste resíduo, é reduzido o volume de extração de matérias-primas para fabricação de clínquer e também a emissão de CO2, visto que a produção do clínquer é a etapa com maior emissão deste gás. Calcula-se que a redução das emissões, caso 15% do clínquer fosse substituído por cinzas de bagaço de cana, seria de 3,16 x 10^9 kg de CO2 por ano no Brasil. Do ponto de vista ambiental, este ecocimento é bastante promissor, no entanto não foram publicados dados a respeito de seu desempenho mecânico.

O terceiro exemplo apresentado é talvez o ecocimento mais promissor até o momento. Seu criador, John Harrison, alega que o cimento proposto por sua equipe é capaz de reduzir o ritmo das alterações climáticas sem que seja necessário abrir mão do estilo de vida moderno.

O que tem de novidade neste cimento que o torna tão promissor?

Harrison propõe trocar o carbonato de cálcio, usado nos cimentos tradicionais, como o Portland, por carbonato de magnésio. Essa troca provoca, primeiramente, a diminuição da temperatura do forno industrial de 1450°C para 650°C, temperatura na qual o carbonato de magnésio transforma-se em óxido de magnésio. Assim, seria gasta apenas cerca de metade da energia utilizada para o processo convencional de produção de cimento. Além disso, durante a aplicação e endurecimento do ecocimento, ocorre um fenômeno denominado de carbonação, na qual uma grande quantidade de CO2 é reabsorvido do ar. As consequências disso são que apesar de o ecocimento eliminar uma maior quantidade de CO2 durante sua produção, este absorve muito mais deste gás ao longo de sua vida devido à carbonação. Segundo palavras do próprio Harrison, “As oportunidades de uso de processos de carbonação para sequestrar carbono do ar são simplesmente imensas. Seria preciso alguns séculos, ou até mesmo milênios, para que os cimentos comuns absorvam tanto quanto os ecocimentos são capazes de absorver em apenas alguns meses”.  A substituição direta do cimento Portland pelo ecocimento de Harrison poderia causar a absorção de cerca de 1 bilhão de toneladas de CO2 ao ano, um valor realmente surpreendente. Além disso, o ecocimento apresenta maior durabilidade do que o cimento Portland e é menos alcalino do que este, tornando mais simples a incorporação de resíduos inertes como matéria-prima para a produção de cimento.  Os principais desafios da incorporação do ecocimento à base de carbonato de magnésio no mercado é que o custo de mineração de sua matéria-prima é superior à do cimento Portland e que o setor de construção civil costuma ser bastante conservador.

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Harrison segurando um bloco de seu ecocimento. Fonte: Fórum da Construção

Quer saber mais sobre os ecocimentos apresentados? Confira os links abaixo:

Ecocimento produzido por bactérias:

Inovação Tecnológica;

Tec Mundo.

Ecocimento de bagaço de cana-de-açúcar:

TEODORO, P.E. et al. Estimativa da taxa de redução de CO2 de concretos produzidos com cinzas resíduas de bagaço de cana-de-açúcar.  Revista de Ciências Exatas e Tecnologia, vol. 8, no. 8, p. 173-179, 2013.

Ecocimento a partir de carbonato de magnésio:

Fórum da Construção.

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Como as bijuterias podem afetar sua saúde?

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

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

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

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Fonte imagem

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

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

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

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

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

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

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

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

Referências:

SEBRAE

Banho de metais

China jewelry makers say toxic-metal cuts costs

Toxicidade do chumbo

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

Pesquisa do Inmetro sobre o Cádmio

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Produção de concretos sustentáveis

O concreto é o segundo produto mais consumido no mundo, perdendo apenas para a água potável.  Surpreendente, não?  Cerca de 250 kg de cimento Portland, uma das matérias primas usualmente utilizadas para a fabricação de concreto, é produzida anualmente por habitante, o que totaliza uma produção de aproximadamente 1,75 10^12 kg!! Considerando que para cada tonelada de cimento Portland produzida, outra tonelada de dióxido de carbono (CO2) emerge para a atmosfera, observa-se o quão impactante este material é para o meio ambiente. Análises mostram que cerca de 7% das emissões artificiais totais de dióxido de carbono no mundo são provenientes da produção de cimento Portland e cerca de metade destas emissões resultam da etapa de descarbonetação do calcário. Com o crescimento populacional, a indústria de construção civil mantém um elevado ritmo de crescimento, fazendo com que o uso de concretos mais sustentáveis seja uma necessidade cada vez maior.

Pensando nestes aspectos, cientistas norte-americanos desenvolveram um concreto que reduz em menos da metade as emissões de CO2, além de apresentar tenacidade e durabilidade superiores ao concreto tradicional.  A estrutura de concretos é composta por agregados e agente ligante. A fase ligante, silicato de cálcio hidratado (C-S-H), é produzida a partir da hidratação do cimento Portland e apresenta grande influência sobre as propriedades físicas e mecânicas dos materiais cimentícios. Assim, para aprimorar estas propriedades, os cientistas analisaram a estrutura da fase C-S-H em nível molecular e modificaram a proporção de cálcio/sílica, que de acordo com os padrões industriais deve ser de aproximadamente 1,7.

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Estruturas moleculares de fases C-S-H com proporções cálcio/sílica de 1,1; 1,5 e 1,8.

Além de avaliados estruturalmente, corpos de prova de cada proporção também foram submetidos a ensaios mecânicos. A análise dos dados adquiridos mostra que uma redução da proporção de cálcio/sílica para 1,5 produz um concreto mais tenaz, cerca de duas vezes mais resistente à fratura. Além disso, são reduzidas intensamente as emissões de CO2, visto que com a redução do teor de cálcio é necessária uma menor quantidade de calcário descarbonetado.

Há ainda outras maneiras de reduzir as emissões de dióxido de carbono. Uma delas, proposta por pesquisadores brasileiros da USP, consiste em aumentar a proporção de carga na fórmula do cimento Portland. A carga é uma matéria-prima à base de pó de calcário que tem função de preenchimento, mas não necessita da etapa de descarbonetação, reduzindo significativamente a emissão de CO2. Modelos matemáticos propunham que grandes quantidades de carga poderiam comprometer a qualidade final do concreto, restringindo-as industrialmente a um teor máximo de 30%. No entanto, os brasileiros provaram que isto não é verdade e conseguiram chegar a teores de carga de até 70% em laboratório sem perda de qualidade. Para isso, as partículas foram organizadas por tamanho, garantindo a maleabilidade do cimento.

Considerando a relevância da sustentabilidade de concretos para minimizar a crise ambiental que vivenciamos, este pode ser um grande nicho de mercado para engenheiros de materiais. Há diversas formas de tentar amenizar os impactos ambientais, e, pensando nisso, apresentaremos a vocês na próxima semana os ecocimentos, não percam!

Referências:

QOMI, M.J.A. et al. Combinatorial molecular optimization of cement Hydrates. Nature Communications. Vol.: 5, Article number: 4960 DOI: 10.1038/ncomms5960, 2014;

Inovação Tecnológica.

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Nova família de materiais luminescentes

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

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

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

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Materiais luminescentes produzidos pelo MIT. Fonte imagem

E por que eles são bioinspirados?

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

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

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Material luminescente. Fonte imagem

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

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

Leia mais sobre:

Phys.org

USP

Luminescência

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Materiais autorreparáveis

Materiais falham a todo momento, seja por envelhecimento, desgaste, fadiga, ação de defeitos concentradores de tensões, ou outros fatores.  Assim, é necessária ação humana para repará-los, substitui-los ou agir preventivamente para evitar que o componente falhe. Imaginem como nossas vidas, tanto pessoal como profissional, seriam simplificadas se os materiais fossem autorreparáveis e não precisássemos fazer monitoramento, substituições ou reparos preventivos para evitar falhas, tampouco reparar ou substituir o material em caso de danos. Construções seriam mais seguras, carros batidos não precisariam ser arrumados em oficinas, aviões não precisariam passar por um monitoramento tão rigoroso de trincas.  Pensando em tudo isso, pesquisadores do mundo todo começaram estudos sobre materiais autorreparáveis a partir dos anos 2000. Até então, esta interessante característica foi conseguida principalmente por 4 diferentes mecanismos:  adição de agentes reparadores; criação de rede vascular interna, similar a nosso sistema circulatório; memória de forma e fornecimento de energia a termoplásticos.

O primeiro mecanismo – adição de agentes reparadores –  é utilizado principalmente em polímeros termofixos e compósitos de matriz polimérica. O método consiste em dispersar ao longo da matriz polimérica catalisador na forma de pó e pequenas cápsulas contendo um monômero líquido. Quando há a formação de trincas, não somente o material polimérico é danificado, mas também algumas das cápsulas, o que fará com que o monômero seja liberado e mova-se por capilaridade até ocupar toda a região da trinca. Assim, quando este encontra o catalisador sólido, inicia-se uma reação de polimerização que preencherá completamente a região danificada. Os materiais que contém agentes reparadores dispersos em cápsulas apresentam ótimos níveis de eficiência em autorreparação, sejam eles submetidos a um carregamento estático ou dinâmico.  O maior problema deste método é que as cápsulas devem ser muito pequenas para que não fragilizem o polímero, pois atuam como pequenos defeitos na microestrutura. Isto limita o tamanho das trincas que podem ser preenchidas, pois uma quantidade menor de monômero consegue ser encapsulada. Além disso, o material só pode ser reparado uma única vez em determinada região, pois quando a segunda trinca iniciar, não haverá mais cápsulas a serem rompidas para preenchê-la.

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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.

esquema de bandas

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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