Novos Materiais

Novos Materiais: Realidade e tendências de desenvolvimento

Durante milhões de anos, os materiais naturais (madeira, pedras, ossos e peles de animais) eram os únicos conhecidos e disponíveis que atendiam de forma rudimentar as necessidades do ser humano. Mais adiante, cerca de 5 mil anos a.C., o homem passou a fazer os primeiros utensílios domésticos com argilas (materiais cerâmicos primitivos) e, logo depois, passou a produzir os primeiros utensílios a partir de metais e ligas, desenvolvendo o arado, a carroça e as embarcações a vela. No início da era cristã, o homem conhecia sete metais: cobre, prata, chumbo, estanho, ferro, mercúrio e ouro.

Até meados do século XIX, o conhecimento existente acerca dos materiais era essencialmente empírico, ou na sua melhor forma, resultado de alquimia. A partir de então, passos maiores começaram a ser dados, devido à possibilidade da observação ao microscópio, permitindo estudos mais sistemáticos e, desta forma, rumando ao domínio dos materiais e de seus processos de fabricação e transformação, dando origem à Ciência dos Materiais e, posteriormente, à Engenharia de Materiais. Hoje, dispõe-se de aproximadamente 50.000 materiais que compõem o cenário industrial moderno, classificados em cinco grandes grupos: os metais, as cerâmicas, os polímeros, os semicondutores e os compósitos.

Novos Materiais: Realidade

O termo Novos Materiais começou a ser utilizado com maior freqüência nas três últimas décadas; refere-se não só a materiais recém-descobertos ou desenvolvidos, mas também aos materiais já há mais tempo conhecidos, mas que hoje são fabricados com maior qualidade e elevado desempenho funcional, em decorrência do domínio e das melhores condições de controle dos processos de fabricação alcançado nas últimas décadas. O avanço está intimamente ligado ao desenvolvimento de novas técnicas de análise e controle, bem como ao desenvolvimento de equipamentos hoje disponíveis aos pesquisadores e engenheiros das indústrias. Equipamentos como o difratômetro de raios x, microscópios óticos, microssondas e outros, são ferramentas poderosas nas mãos dos pesquisadores, pois permitem manipular a matéria em escala atômica e estudar a estrutura interna dos materiais, avaliar a sua influência nas mais diversas propriedades e fazer a re-engenharia em função da aplicação particular a que se destinam.

Metais

O metal é um elemento, substância ou liga caracterizado por sua boa condutividade elétrica e de calor, geralmente apresentando cor prateada ou amarelada, um alto ponto de fusão e de ebulição, e uma elevada dureza.

A maioria dos metais é quimicamente estável, com a exceção notável dos metais alcalinos e alcalino-terrosos.

São caracterizados por boa condutibilidade (condução térmica e elétrica), ductibilidade (pode ser transformado em fios), maleabilidade (transformação em lâminas), elasticidade (volta ao normal após ser esticado) e tenacidade (resistência à tração).

A indústria metal-mecânica incorpora todos os segmentos responsáveis pela transformação de metais nos produtos desejados, desde a produção de bens até serviços intermediários, incluindo máquinas, equipamentos, veículos e materiais de transporte.

Dentro dos campos de estudo da metal-mecânica encontram-se os processos de deformação plástica, soldadura, fundição e maquinagem. Engloba ainda o estudo das propriedades dos materiais utilizados, o seu projeto e seleção, e ainda de fenômenos de quebra destes como a fadiga, a fluência ou o atrito.

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Aço amorfo é três vezes mais forte que o aço comum e não é magnético

(Redação do Site Inovação Tecnológica – 27/08/2004)

"Dois grupos de cientistas relataram a descoberta simultânea, mas independente, de um novo material amorfo não magnético que é três vezes mais resistente do que o aço, além de ser mais resistente à corrosão. Com ele será possível, por exemplo, a construção de cascos não magnéticos para submarinos e navios, mais fortes e menos sujeitos à corrosão.

Um material amorfo não possui uma estrutura cristalina definida, como o aço e os outros metais. Seus átomos se organizam em estruturas aleatórias, o que lhe deu o nome de "aço amorfo", já que foi feito a partir de uma liga de diversos tipos de aço.

"O aço amorfo pode potencialmente revolucionar a indústria siderúrgica", afirma o professor Joseph Poon, membro de uma das equipes que fizeram a descoberta. Os pesquisadores agora vão começar a trabalhar no desenvolvimento de técnicas que permitam a produção do aço amorfo em escala industrial.

O novo material ultra-resistente poderá vir a ser utilizado para a construção de cascos de navios mais finos, automóveis mais leves, edifícios mais altos, além de ferramentas, instrumentos cirúrgicos e material esportivo não sujeitos à corrosão.

Segundo Gary Shiflet, outro membro da mesma equipe, pesquisadores estão tentando há anos criar um aço amorfo em dimensões suficientes para que ele possa ter uso prático. Eles conseguiram o feito, graças à adição de uma pequena dose de ítrio, um elemento de terras raras.

Os cientistas acreditam que o grande tamanho do átomo de ítrio causa uma desestabilização da estrutura cristalina da liga, gerando a estrutura amorfa.

Outra grande vantagem é que, quando totalmente desenvolvido, o aço amorfo poderá tanto ser usinado como o aço comum, quanto ser trabalhado com uma formabilidade muito superior, como se fosse um plástico.

As estimativas dos dois grupos para que o aço amorfo chegue ao mercado variam entre três e seis anos."

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Cerâmica

É qualquer classe de material sólido inorgânico, não-metálico que seja submetido a altas temperaturas na manufatura. Geralmente uma cerâmica é um óxido metálico, boreto, carbeto, ou nitreto, ou uma mistura, vendo que já viu podendo incluir aníons.

A indústria cerâmica é responsável pela fabricação de pisos, azulejos e revestimento de larga aplicação na construção civil, bem como pela fabricação de tijolos, lajes, telhas, entre outros. Ainda, o setor denominado cerâmica tecnológica, é responsável pela fabricação de componentes de alta resistência ao calor e de grande resistência à compressão. Atualmente a cerâmica é objeto de intensa pesquisa tendo em vista o aproveitamento de várias das propriedades físicas e químicas de um grande número de materiais, principalmente a semicondutividade, supercondutividade e comportamento adiabático.

Piso gera eletricidade pela passagem de veículos e pedestres

(Fábio Reynol - Agência Fapesp - 09/04/2010)

"Ao passar sobre uma placa cerâmica embutida no asfalto, os veículos estimulam o material a produzir energia elétrica. Esta energia, então, alimenta a iluminação de placas e dos semáforos da própria rua ou estrada.

Esta é apenas uma das possíveis aplicações de uma pesquisa feita na Universidade Estadual Paulista (Unesp) que visa ao desenvolvimento de um sistema para o aproveitamento da energia cinética dos carros para a geração de eletricidade.

O trabalho começou com o professor Walter Katsumi Sakamoto, do Departamento de Física e Química da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, que utilizou sua experiência na construção de sensores de radiação e de umidade de solo para elaborar dispositivos piezoelétricos, que geram energia quando são submetidos à pressão ou torção.

Essas tecnologias têm em comum a utilização de compósitos cerâmicos nanométricos em formato de filmes. O pesquisador costumava importar alguns desses materiais, como o polifluoreto de vinilideno (PVDF), o poliéter-éter-cetona (PEEK) e o titanato zirconato de chumbo (PZT).

No entanto, para desenvolver o sensor piezoelétrico, decidiu encontrar similares nacionais. Foi quando convidou a professora Maria Aparecida Zaghete Bertochi, do Departamento de Química Tecnológica da Unesp, em Araraquara, a participar do trabalho.

O filme não precisa ficar na superfície do solo o que torna o material apto a ser aplicado em condições severas. Os pesquisadores estimam que o dispositivo se manteria operante mesmo sob temperaturas inferiores a 0º C e sob água, como no caso de uma enchente, por exemplo.

Para gerar energia, o equipamento necessita de pressão intermitente, que seria exercida pela passagem dos pneus dos veículos. Essa força provoca uma deformação mecânica no material, que produz energia elétrica.

"Essa tecnologia poderá gerar energia em áreas movimentadas e não somente a partir da passagem de carros, mas também de pessoas a pé", explicou Sakamoto.

Segundo ele, shoppings centers poderiam utilizar pisos especiais que transformassem os passos dos frequentadores em energia para iluminar os corredores. Algumas estações de metrô no Japão já utilizam pisos do tipo.

O advento recente das lâmpadas led, que consomem bem menos energia do que as fluorescentes e incandescentes, deverá, segundo Sakamoto, ajudar a impulsionar o uso da tecnologia piezoelétrica. "Sem contar o ganho ambiental por se produzir uma energia limpa", salientou.

As aplicações são inúmeras. Um exemplo seria o no uso de compósitos em solas de sapatos, capazes de gerar energia suficiente para alimentar aparelhos celulares e outros eletrônicos portáteis enquanto seus usuários caminham.

Entre outras possíveis aplicações desses sensores também estão a detecção de vazamentos de raios X em clínicas e hospitais e a produção de implantes capazes de estimular o crescimento ósseo guiado, o que seria muito útil em tratamentos ortopédicos e implantes dentário.

Entre os próximos desafios da pesquisa está o desenvolvimento de matrizes poliméricas mais moles, semelhantes à borracha.

Os pesquisadores procuram parceiros que se interessem em investigar novos capacitores que consigam armazenar uma quantidade maior de energia do que os modelos atuais. A nova geração desses dispositivos, apelidados de supercapacitores, é alvo das pesquisas desse tipo de energia."

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Polímeros

Nossos descendentes, no futuro, talvez se refiram à nossa época como sendo a era dos plásticos. Embora o primeiro polímero sintético só tenha sido obtido em 1907, hoje os plásticos já estão onipresentes em nosso cotidiano. Muitos dos utensílios domésticos, automóveis, embalagens e até mesmo roupas, são feitas com polímeros. Seria possível a vida humana, mantendo os atuais padrões de conforto, sem os plásticos?

Um polímero é uma macromolécula formada pela repetição de pequenas e simples unidades químicas (monômeros), ligadas covalentemente.

Um grande marco na história da indústria de plásticos foi a descoberta do processo de vulcanização da borracha em 1839 (a partir do látex, um polímero natural, que já era largamente empregado) pela Goodyear. O próximo grande passo foi a nitração da celulose, resultando na nitrocelulose, produto comercializado primeiramente por Hyatt, em 1870. De seu produto foi obtido o celulóide, alavancando a indústria cinematográfica. Em 1865 foi descoberto o processo de acetilação da celulose, resultando em produtos comerciais de grande uso no início deste século, como fibras de rayon, celofane, entre outros. Entretanto, o primeiro polímero puramente sintético somente surgiu em 1907; resinas de fenol-formaldeído foram produzidas por Baekeland - entre elas, o primeiro polímero sintético de uso comercial: o "Bakelite". Desde então, a indústria e o uso de polímeros não para de crescer.

Hoje, mesmo roupas e demais vestimentas são feitas com fibras poliméricas sintéticas. Roupas especiais, como o uniforme de astronautas, vestes dos corredores de fórmula 1, e roupas de mergulho submarino também são produzidas com polímeros especiais, que possuem as propriedades desejadas, em cada caso.

Alguns polímeros foram verdadeiros salva-vidas. A polimerização foi recebida com grande ímpeto durante a Segunda Guerra Mundial, quando os alemães usaram soluções salinas do polímero como um substituto do plasma sangüíneo nos soldados feridos de suas tropas. O PVP possui um baixo grau de toxidade e tem sido utilizado também em cosméticos, adesivos, indústria têxtil, lentes de contato, e numa variedade de fármacos, incluindo a manufaturação de materiais micro-encapsulados. Um complexo de PVP com iodeto é um dos anti-sépticos mais utilizados.

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Papel Molecular é criado com polímeros que imitam proteínas

(Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/04/2010)

"Criar materiais "de baixo para cima", manipulando átomos e moléculas para fabricar estruturas únicas, com funcionalidades não existentes na natureza, sempre foi o objetivo final da nanotecnologia.

E foi justamente isso o que conseguiu agora a equipe do professor Ronald Zuckermann, dos Laboratórios Berkeley, nos Estados Unidos, ao criar um nanopapel, uma estrutura bidimensional feita com moléculas selecionadas e capaz de imitar o funcionamento das membranas das células vivas.

Estruturas bidimensionais, formadas por poucas moléculas de espessura, são importantes na natureza - é o caso das membranas celulares.

Mas elas são importantes também na tecnologia - é o caso grafeno, por exemplo, uma estrutura natural formada por uma única camada de átomos de carbono.

Agora, os cientistas criaram o maior cristal de polímero bidimensional já feito até hoje, gerado por um processo de automontagem, pelo qual as próprias moléculas se arranjam para formar esse "papel molecular."

O material inteiramente novo imita a complexidade estrutural dos sistemas biológicos, mas utilizando uma arquitetura durável, à base de polímeros, necessária para membranas que possam ser integradas em dispositivos funcionais, como separadores químicos de alta precisão, separadores de gases, filtragem e uma infinidade de outras aplicações.

As folhas automontantes do papel molecular são feitas de peptoides, polímeros projetados artificialmente e que são capazes de flexionar e dobrar como as proteínas - só que, ao invés da fragilidade típica dos tecidos biológicos, eles resultam em estruturas com a robustez dos materiais sintéticos, feitos pelo homem.

"Nossos resultados estabelecem uma ponte entre os biopolímeros naturais e os seus homólogos sintéticos, o que era um problema fundamental em nanociência," disse Zuckermann. "Nós agora podemos traduzir informações sequenciais fundamentais das proteínas para um polímero não-natural, o que resulta em um nanomaterial sintético forte, com uma estrutura definida em nível atômico."

Cada folha de papel molecular tem apenas duas moléculas de espessura. O processo de automontagem, contudo, que acontece em solução aquosa, permite que elas alcancem centenas de micrômetros quadrados - o suficiente para serem vistas a olho nu.

Ao contrário de um polímero típico, cada bloco básico empregado na construção do papel molecular é codificado com "instruções" que o fazem encontrar precisamente sua posição na estrutura, sugerindo que as propriedades das nanofolhas produzidas com esta técnica poderão ser adaptadas com precisão para a aplicação que se tiver em mente.

Por exemplo, essas nanofolhas de papel podem ser utilizadas para controlar o fluxo de moléculas específicas, ou servir como uma plataforma para detecção química e biológica - para variar sua aplicação, basta variar a "programação" dos peptoides utilizados em sua fabricação.

Segundo o pesquisador, os blocos de construção de polímeros peptoides são baratos, largamente disponíveis e apresentam um alto rendimento, proporcionando uma grande vantagem sobre outras técnicas usadas na síntese de materiais."

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Semicondutores

Semicondutores são substâncias cuja condutividade elétrica, ao contrário do que ocorre com os condutores normais, aumenta com a temperatura. Assim, são condutores nas temperaturas usuais e isolantes nas baixas temperaturas.

O sucesso dos semicondutores deve-se aos seguintes fatores:

· Existência de técnicas de sintetização de materiais semicondutores de alta pureza, com nível de impurezas bem menor que partes por bilhão, ppb. Os semicondutores constituem os materiais de maior pureza usada em aplicações. Nenhuma outra aplicação requer tamanho nível de pureza, exceto talvez, alguns materiais nucleares.

· Existência de técnicas de cristalização de materiais semicondutores com alto nível de perfeição cristalina.

· Disponibilidade de técnicas de dopagem (adição de pequena quantidade de impurezas específicas) controlada, em nível e local no semicondutor, permite assim alterar localmente as propriedades do semicondutor. Isto por sua vez permite o desenvolvimento de inúmeros dispositivos, eletrônicos, ópticos e sensores.

Os materiais semicondutores mais usados na indústria eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício (Si), apesar do Silício predominar a produção atualmente.

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Material fotorreversível põe 500 Blu-ray em um único disco

(Jon Cartwright - RSC - 28/05/2010)

"Um grupo de químicos japoneses criou o primeiro material capaz de sofrer uma transição fotorreversível de metal para semicondutor.

Segundo eles, a descoberta terá aplicação direta no armazenamento óptico de dados em ultra-alta densidade, com discos capazes de conter até 500 vezes a densidade de um disco Blu-ray.

Nos últimos anos tem havido um interesse crescente na busca de formas de alterar as propriedades físicas da matéria.

A temperatura e a pressão podem transformar materiais, digamos, de isolantes para condutores ou de não-magnéticos para magnéticos - mas os dois parâmetros são de difícil controle no interior de complexos dispositivos de memória em nanoescala.

Em vista disso, os pesquisadores começaram a procurar por formas de alterar a matéria usando luz - as chamadas transições de fase fotoinduzidas - cujo "estímulo" para a alteração da matéria é dado por um laser.

Recentemente, o laser foi usado para criar magnetismo artificial, para permitir que físicos enxergassem através de materiais opacos, para retorcer estruturas rígidas e até para criar um fenômeno quântico conhecido como transparência induzida por luz."

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Compósito

Compósito é um material em cuja composição entram dois ou mais tipos de materiais diferentes. Alguns exemplos são metais e polímeros, metais e cerâmicas ou polímeros e cerâmicas.

Os materiais que podem compor um material compósito podem ser classificados em dois tipos: matriz e reforço.

O material matriz é o que confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas.

Os materiais reforços são os que realçam propriedades mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo.

Pode ainda surgir uma sinergia entre material matriz e materiais reforços que resulte, no material compósito final, em propriedades não existentes nos materiais originais.

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Vidro metálico de titânio supera ligas tradicionais do metal

(Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/01/2010)

"Cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos, criaram uma nova classe de compósitos estruturais baseados no titânio.

Os novos materiais, classificados como vidros metálicos, são mais leves e mais baratos, além de manterem a tenacidade e a ductilidade - a capacidade para ser deformado sem quebrar - do caro metal original.

No início deste ano, o mesmo grupo descobriu uma nova forma para criar compósitos dos chamados metais líquidos, um novo tipo de material metálico estrutural com características similares às dos plásticos. Então, eles estavam trabalhando principalmente com o zircônio.

"São ligas com tenacidade e resistência sem comparações. Elas estão entre os materiais sintéticos mais resistentes que existem atualmente," conta Douglas Hofmann, que coordena o grupo de pesquisadores.

Mas havia algumas limitações para essas super ligas.

Como elas foram criadas para uso na indústria aeroespacial - entre outras aplicações estruturais - elas precisavam ter densidades muito baixas. Idealmente, as ligas deveriam ter densidades semelhantes à das ligas de titânio cristalino, que se situam entre 4,5 e 5 gramas por centímetro cúbico (g/cc).

As ligas originais, feitas predominantemente de zircônio, ficaram entre 5,6 e 6,4 g/cc, o que as colocava em uma espécie de "terra-de-ninguém das densidades de estruturas aeroespaciais," diz Hofmann.

Para levar as promissoras ligas para áreas mais habitáveis, Hofmann e seus colegas começaram a ajustar os componentes usados na fabricação dos compósitos.

O resultado foi um grupo de ligas metálicas com um elevado percentual de titânio, mas que mantém as propriedades das ligas de zircônio criadas anteriormente, muito mais parecidas com uma cerâmica do que com uma liga de titânio tradicional.

"Apesar de serem baseadas no titânio", observa Hofmann, "essas ligas apresentam as mesmas propriedades impressionantes das ligas de zircônio. Elas ainda são resistentes a trincas e rachaduras - e continuam sendo dúcteis. Na verdade, eles são ainda mais dúcteis do que as ligas que criamos inicialmente."

Os vidros metálicos têm merecido grande atenção da NASA, devido às suas propriedades de leveza e resistência. Eles também já foram usados para resfriar células solares, na fabricação de antenas dobráveis e até para a fabricação de ímãs para motores de veículos elétricos."

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Nanotecnologia

É a capacidade de criar objetos de qualidade superior aos existentes hoje, a partir da organização dos átomos da forma desejada.

Durante uma palestra para a Sociedade Americana de Física em 1959, o físico americano Richard Feynman (1918-1988) apresentou seu projeto para uma nova pesquisa. O estudo era baseado na possibilidade de poder organizar os átomos da maneira que desejarmos. Porém essa idéia era muito avançada para época. Após trinta anos, a idéia de Feynman toma forma na ciência do muito pequeno, a nanotecnologia, denominada dessa forma porque seus objetos de estudo costumam ser medidos em nanômetros. Um nanômetro (nm) equivale a um bilionésimo de metro.

A pergunta de Richard Feynman foi: O que aconteceria se pudéssemos mover os átomos? Obteve uma resposta que foi dada pelos cientistas que os manipulam hoje. Segundo os cientistas, através de uma provável manipulação da movimentação do átomo, seria possível construir supercomputadores que caibam no bolso, colocar microssondas para fazer testes sangüíneos dentro do corpo humano, etc. Tudo isso gira em torno de previsões e suposições, as quais poderão torna-se realidade em aproximadamente uma década.

A nanotecnologia hoje engloba muitas áreas de pesquisa, dos diversos setores da indústria e das áreas estratégicas. O desenvolvimento da nanotecnologia é de extrema importância para o Brasil como para Portugal, levando em consideração que tanto a indústria brasileira como a portuguesa terão de competir internacionalmente com novos produtos, para que suas economias se recuperem e retomem o crescimento econômico. Essa competição se tornará bem sucedida a partir do surgimento de produtos e processos inovadores, que se comparem ou, até mesmo, superem os melhores produtos oferecidos pela indústria internacional.

Um dos grandes problemas que poderá ser gerado pela nanotecnologia é a nanopoluição, gerada por nanomateriais ou durante a confecção desses. Esse tipo de poluição, composta por nanopartículas, pode ser mais perigosa do que a poluição existente no planeta, uma vez que pode flutuar facilmente pelo ar viajando por grandes distâncias. Pelo fato dos nanopoluentes não existirem na natureza, provavelmente as células não terão as armas necessárias para lidar com eles, provocando danos ainda não conhecidos.

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A maioria das informações foram tiradas do site Inovação Tecnológica, além de algumas informações da Wikipedia (pela falta de melhores fontes) e de uns lugares soltos aí que não peguei o link. Somente editei, não escrevi NADA, então não responderei por qualquer processo que ocasionalmente apareça!