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.

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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? Continue reading Por onde anda o grafeno

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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!

Leia mais em:

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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Resolvendo o problema das células combustíveis!

Um dos grandes problemas hoje da sociedade está relacionado com a geração de energia e com métodos que sejam sustentáveis. Por isso cada vez mais são feitas novas pesquisas com métodos alternativos de geração de energia, como as SOFC, ou célula de combustível de óxido sólido. Esses são dispositivos que irão produzir energia elétrica através da oxidação direta de um combustível e eles funcionam basicamente como uma bateria:  Nele existem dois eletrodos separados por um eletrólito condutor, que nesse caso é constituído por uma cerâmica. O cátodo será alimentado por ar, onde as moléculas de oxigênio ficarão com elétrons extras, assim essas moléculas passarão através da membrana até o ânodo carregado positivamente, onde eles irão reagir com as moléculas do combustível e gerará água, energia e CO2. Enquanto ocorre essa reação, o dispositivo continua bombeando energia elétrica. As suas principais vantagens são grande eficiência, grande estabilidade, flexibilidade de combustível e baixíssimas emissões. Ademais, elas podem ser utilizadas em uma grande variedade de aplicações, como auxiliares de geração de energia em veículos.

Esquema células combustíveis. Fonte
Esquema células combustíveis. Fonte

Nas células convencionais, a membrana é feita de YSZ, uma cerâmica que é estabilizada quando em temperatura ambiente é adicionado óxido de ítrio à estrutura cristalina do dióxido de zircônia. Essas células operam com sua máxima eficiência entre 800 e 1000º C, isso significa que temos que usar materiais com uma grande resistência térmica, o que faz esse sistema ser caro e se tornar pouco utilizado. Por isso, os cientistas buscam um material alternativo para esse problema e eles finalmente encontraram!

O material que é estudado é o BZY, porém a grande questão era que geralmente os materiais cerâmicos são queimados acima de 1700º C, entretanto nessa temperatura o bário é vaporizado, por isso se torna difícil a mistura uniforme da cerâmica. Para solucionar esse problema Bryan O’Hayre, cientista da Colorado School of Mines in Golden, e sua equipe desenvolveram uma técnica chamada de sinterização reativa de estado sólido (na tradução literal) que consiste em realizar a mistura em menores temperaturas. Isso pode ser obtido ao adicionar à mistura óxidos de níquel e de cobre, assim eles reduzem a temperatura para 1450º C, inferior a evaporação do bário.

Os pesquisadores falaram na revista Science de Julho de 2015 que a descoberta praticamente dobrou a potência produzida por uma única célula de SOFC. Além do mais, a temperatura ideal de trabalho dessas células é aproximadamente à 500º C, bem inferior ao comparar com as feitas com YSZ. Porém elas ainda não estão prontas para a escala industrial, pois apenas foram produzidas células individuais, e nos dispositivos comerciais são utilizadas várias interconectadas. Então torcemos para que sejam tão eficientes quanto as individuais, para torna-las economicamente viáveis e assim poderemos usufruir das suas vantagens!

Leia mais em: Science Wiki

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Já conhece os polímeros que mudam de cor com a temperatura?

É cada vez mais comum e mais acessível a utilização em nosso cotidiano de materiais que sofrem uma alteração de cor estimulada por fatores externos, nos proporcionando conforto, aumentando a confiabilidade de produtos, melhorando aspectos estéticos ou mesmo a segurança de  componentes que compramos, etc.  Os materiais desta classe podem ser influenciados pela aplicação de pressão (piezocromismo), voltagem (eletrocromismo, lembram dos vidros que protegem os olhos de motoristas contra luz alta de faróis?), luz (fotocromismo) ou temperatura (termocromismo). O último desses fatores será o tema de nossa publicação de hoje:  termocromismo em polímeros!

termocromismo

Fonte: Diseño de Interiores.

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Metais hidrofóbicos a partir de lasers!

Cientistas da Universidade de Rochester, que fica em Nova York, descobriram uma forma de transformar metais comuns como titânio, platina e latão, em materiais muito hidrofóbicos com pulsos de laser de 1fs (10^(-15) segundo)! Ou seja, não são utilizados revestimentos temporários, como a maioria dos produtos já existentes, e sim é intrínseco do material.

University of Rochester Institute of Optics professor Chunlei Guo has developed a technique that uses lasers to render materials hydrophobic, illustrated in these images taken in his lab December 19, 2013.  // photo by J. Adam Fenster / University of Rochester

Gota de água sobre material. Fonte: University Rochester

Esses materiais são muito importantes, pois são resistentes à oxidação, não congelam e reduzem a adesão de contaminantes na superfície. Por exemplo, uma de suas possíveis aplicações é na indústria aeronáutica, na fabricação das superfícies de aviões, já que precisam evitar o congelamento de água na fuselagem ou até mesmo canos de ar de refrigeradores e de ares condicionados.

Pode-se fazer uma analogia do metal com as folhas de lótus, que possuem uma microestrutura em torno de 10-50 μm e uma nanoestrutura de 200 nm. Essa estrutura junto com uma cera epicuticular hidrofóbica cria um material super hidrofóbico, que possui um efeito auto-limpante, pois quando a água cai sobre as folhas, ela leva consigo as partículas de sujeira.

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Folha de lótus. Fonte

Segundo o paper publicado pelos pesquisadores Guo e Vorobyev no Journal of Applied Physics, o processo através dos pulsos de laser consiste em criar uma superfície com um padrão complexo de nano (5-10 nm)  e microestruturas (75-100 μm), que concedem aos materiais propriedades assim como as das folhas acima.  E a parte mais interessante disso tudo é que o metal é intrinsecamente hidrofílico e após o processo com laser ele se torna mais hidrofílico ainda. Então como ele vira hidrofóbico? O segredo é o contato com o ar, essa transição pode ser explicada através de uma reação química entre a superfície e o CO2, que resulta numa acumulação de carbono e seus compostos na superfície tratada.

Para possuírem esse efeito auto-limpante e serem considerados super hidrofóbicos, o material deve ter um ângulo de contato de pelo menos 150°, um pequeno ângulo de deslizamento <10° e a adesão entre a superfície e as partículas de sujeira deve ser menor do que entre essas partículas e a água. E os resultados obtidos foram um ângulo de contato de 158° e ângulo de deslizamento de 4º.

No vídeo podemos ver como funciona esse efeito da folha de lótus nos metais super hidrofóbicos:

http://http://www.youtube.com/watch?v=1CYJtJWbnk0

Nesse outro mostra um pouco mais sobre o material, como ele funciona na prática e os seus benefícios em relação a outros materiais (compara até com o Teflon, sobre o qual já escrevemos aqui).

Até semana que vem!

Fontes:

Rochester University

A. Y. Vorobyev; Chunlei Guo. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses. Journal of Applied Physics 117, 033103 (2015); doi: 10.1063/1.4905616.

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Kevlar – o polímero mais resistente do que aço.

Hoje falaremos sobre um polímero bastante especial, o Kevlar.  Este polímero enquadra-se no grupo de poliaramidas,  nome proveniente de três diferentes conceitos: poli, que significa muitos e refere-se ao grande número de repetições de uma mesma unidade estrutural – ou monômero – para formação das cadeias poliméricas;  ar de aromático, visto que a estrutura do Kevlar contém diversos anéis benzênicos; e amida, devido à presença desta função orgânica interconectando os anéis benzênicos na estrutura polimérica.

cadeias kevlar

Cadeias de Kevlar.  Fonte: Oficina da Web.

O Kevlar destaca-se por apresentar interessantes propriedades, tais quais resistência à corrosão e ao calor, baixo peso, manutenção de suas propriedades mesmo quando utilizado a baixas temperaturas, elevado módulo de elasticidade, grande resistência ao impacto e elevada resistência mecânica – o Kevlar é cerca de 7x mais resistente do que o aço por unidade de peso. Considerando que o Kevlar apresenta tamanha resistência, por que o polímero não é utilizado como componente estrutural de pontes, edifícios e demais obras da construção civil, mas sim o aço? Porque diferentemente do aço, o Kevlar apresenta baixa resistência à compressão, e esse tipo de solicitação é bastante comum nas estruturas mencionadas.

Ainda assim, as propriedades do Kevlar permitem aplicações surpreendentes. A mais famosa delas é o uso deste material como matéria-prima para coletes à prova de balas. Nesse caso, o polímero é produzido na forma de fios através de um processo denominado “air gap wet spinning”, no qual uma solução concentrada de Kevlar, muito quente e viscosa, é forçada através dos pequenos furos de um spinneret (espécie de fiandeira). Em seguida, a solução passa por uma cortina de ar e entra em um banho de coagulação, no qual o solvente é extraído e as fibras solidificam-se. Por fim, ocorre o bobinamento das fibras obtidas, as quais serão posteriormente tecidas e originarão os coletes, que terão resistência proporcional à quantidade de camadas utilizadas para sua confecção. O processo é mostrado no vídeo abaixo, no entanto o material processado é o Vinyon e não há a presença de cortina de ar. Convém destacar também que é utilizada uma solução de Kevlar para o processamento, na qual o polímero é misturado a um solvente, em vez de utilizar o material no estado fundido. Isso deve-se ao fato de que o Kevlar não é fusível, ou seja, quando aquecido o material sofre o fenômeno de decomposição, e não de fusão.

http://https://www.youtube.com/watch?v=ngEZMFaIrGE

O princípio de funcionamento de um colete à prova de balas é semelhante ao funcionamento de um brinquedo muito amado pelas crianças, a cama elástica. Quando o projétil entra em contato com o colete, as fibras de Kevlar absorvem parte da energia proveniente da colisão e a dissipam, o que normalmente é capaz de proteger o indivíduo atingido.  A absorção de energia é proveniente tanto da elevada resistência ao impacto do polímero quanto da forma com que as fibras são organizadas, tornando extremamente difícil separá-las. No entanto, algumas vezes a energia restante, destinada à pessoa atingida, ainda é capaz de feri-la fatalmente.

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Colete à prova de balas feito de Kevlar – Fonte: Wise Geek.

Outros usos do Kevlar, segundo a própria DuPont, fabricante do material, é em pistas de esqui, nas trilhas em ziguezague, em terrenos desérticos exigentes e até mesmo no espaço. Além disso, o polímero pode ser utilizado para forrar o compartimento do motor de aviões,  para a fabricação de raquetes de tênis, composição de alguns pneus e capacetes, capas de celulares, ou mesmo em abrigos para proteção contra tornados. A versatilidade deste material é inquestionável!

Fontes:

Mundo Educação;

Tecmundo;

Explain that Stuff;

Wise Geek;

DuPont;

Oficina da Web;

Gateway Coalition.

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Qual é o segredo do Gorilla Glass?

Creio que a maioria dos celulares fabricados hoje utilizam como tela o Gorilla Glass, que é fabricado pela tradicional indústria americana Corning.  E o diferencial desse produto é a sua resistência ao impacto e ao risco.

Gorilla-Glass-4

Primeiro devemos entender como funciona o processo de fabricação usual: A resistência do material pode ser melhorada através da indução de tensões residuais compressivas na sua superfície, conseguimos isso através da têmpera. Conforme essa técnica o vidro é aquecido até uma temperatura maior do que a tg (temperatura de transição vítrea) e abaixo do ponto de amolecimento, assim ela é resfriada até a temperatura ambiente com um jato de ar ou até mesmo em óleo. As tensões que queremos aparecem devido à diferença na taxa de resfriamento entre a superfície e o interior do material, já que a superfície resfria rapidamente e se torna rígida. Mas o interior, que possui uma taxa menor, tenta se contrair mais do que a rigidez da superfície permite, assim surgem essas tensões compressivas!

Esses seriam os famosos vidros temperados, contudo o processo do Gorilla Glass é um pouco diferente:

Ao invés de resfriarmos o material com um jato de ar ou óleo, resfriamos numa solução de sais de potássio a 400 °C, fazendo com que os pequenos íons de sódio saiam do vidro e sejam substituídos pelos grandes íons de potássio, causando tensões residuais muito maiores do que nos temperados, por causa do pequeno espaço existente para o maior íon. E são essas tensões que proporcionam ao material uma alta resistência à compressão e à fratura.

No seguinte vídeo podemos ver a comparação do Gorilla com um vidro sódico-cálcico, que é utilizado em garrafas, por exemplo.

Um dos principais concorrentes da Corning é a tela de safira, que possui vantagens como uma dureza maior e uma maior resistência ao risco, porém a sua densidade é maior, o que faz com que o produto final tenha um peso maior, além de que é muito mais caro para se produzir.  A safira é constituída de óxido de alumínio e por não ser encontrada na natureza, o seu processo é artificial. E na sua produção são aplicados calor (temperatura de 2.200 ºC) e pressão, assim em um período de 17 dias ela se resfria lentamente e recebe tratamentos térmicos. Por mais que a tela de safira não obteve muito sucesso no ramo de smartphones, ela é largamente utilizada em janelas de avião, ferramentas de corte e equipamentos elétricos e óticos.

O lançamento da Corning é o Gorilla Glass 4 que em 80% dos testes de queda não apresentou danos na tela.

Leia mais em:

CALLISTER, William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, c2008.

Corning

Gorilla vs. Safira

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