Capítulo 12Materiais Modernos

Danillo Lopes NunesLucas Corrêa Lemes

Introdução• Novos materiais são necessários para o desenvolvimento

de projetos e produtos.• Será falado sobre materiais importantes para a indústria

moderna.• Serão citadas algumas características macroscópicas como

resultado de processos em nível atômico.

1. Introdução2. Cristais Líquidos3. Polímeros4. Biomateriais5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos8. Tendências Futuras9. Referências Bibliográficas

MateriaisModernos

Cristais Líquidos• Substâncias na fase intermediária entre sólido e líquido• Descobertos em 1888 por Frederick Reinitzer• Amplamente utilizados atualmente com dispositivos

eletrônicos• Fáceis de manipular devidos às suas forças intermoleculares

serem fáceis de alterar com pressão, temperatura e campo magnético.

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• Ao contrário dos líquidos, os cristais líquidos apresentam organização de moléculas, geralmente longas e na forma de túbulos.Assim, suas fases líquidas são classificadas em:

Cristais LíquidosTipos de fases líquido-cristalinas

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• Fase líquida cristalina nemática:– Moléculas apresentam alinhamento ao longo de seus

eixos, mas de forma desordenada

Cristais Líquidos

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• Fase líquida cristalina esmética:– Moléculas apresentam alinhamento no eixo, além de

apresentar alinhamento das pontas.

Cristais Líquidos

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• Fase cristalina colestérica:– Moléculas dispostas em camadas, sendo que em cada

uma delas aparece uma angulação diferente do eixo longo

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Cristais Líquidos

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Polímeros• Compostos formados a partir de unidades estruturais

menores repetidas (monômeros). O número de repetição é chamado grau de polimerização.

• Pode ser formado por– Adição – acoplamento de monômeros em suas próprias

ligações livres. Ex.: polietileno, polipropileno.

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– Condensação – síntese de duas moléculas com eliminação de moléculas menores. Dois monômeros diferentes formam um copolímero. Ex.: náilon, poliuterano.

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Polímeros

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Processo de obtenção de um polímero

• Termoplásticos – facilmente modeladosTermorrígidos ou termocurados – modelado por processos químicos, portanto, difícil de remodelar

• Elastômero – comportamento de borracha e elástico (retorna ao estado original)

Tipos de polímerosMateriaisModernos

Polímeros

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• Flexibilidade – as ligações giram em seu eixo e a cadeia é flexível

• Cristalinidade – grau de ordem de limite com cadeias alinhadas em redes regulares. Ex.: polietileno

• Substâncias podem ser adicionadas para modificar características inerentes

Estruturas e propriedades físicasMateriaisModernos

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Polímeros

• A reticulação é a formação de ligações entre cadeias. No polímero, a reticulação deixa sua estrutura mais firme.Ex.: plásticos termocurados, vulcanização

Polímeros de ligação cruzada

Polímeros

Biomateriais

• Biomaterial é aquele que tem aplicação biomédica, seja terapêutica, como em tratamentos, ou de uso diagnóstico.

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• Biocompatibilidade – biomateriais devem ser quimicamente compatíveis e de textura física não prejudicial para evitar reações do organismo, como inflamação.

• Exigências físicas – o material deve satisfazer as exigências de seu equivalente biológico ou mesmo superá-las.

• Exigências químicas – o material não pode apresentar traços de contaminantes como monômeros não reagidos ou catalisadores.

Características dos biomateriaisMateriaisModernos

Biomateriais

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• Para serem aceitos por um organismo, os polímeros aplicados na medicina devem parear com determinada natureza atômica e interação do organismo.

• É difícil conseguir um grau de complexidade alto como o de moléculas vitais por polímeros sintéticos.Ex.: proteína

• Aplicações: elastômeros – marcapasso, catéterestermoplásticos – membranas,

artériastermorrígidos – odontologia,

ortopedia

Biomateriais poliméricosMateriaisModernos

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Biomateriais

Pele artificial de quitina

Aorta real e sintética Bandagem com célulasepiteliais

Cerâmicas• Materiais inorgânicos sólidos não-metálicos. Podem ser

divididas em cristalinas ou não-cristalinas.MateriaisModernos

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Cerâmicas• Não-cristalinas: possuem ligações covalentes, iônicas ou

ambas. São substâncias duras, quebradiças e estáveis a altas temperaturas.

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Cerâmicas• Resistentes ao calor, corrosão, desgaste e são difíceis de

serem deformadas.• Ponto negativo: são quebradiças. Apesar de serem três

vezes mais leves que componentes metálicos, as cerâmicas se estilhaçam sob certas pressões, uma vez que não é possível ocorrer o deslizamento dos átomos.

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Cerâmicas

• Durante o processamento, para se evitar a formação de microfissuras que originam as rachaduras nas cerâmicas, procura-se aumentar a resistência a quebras. Produz-se partículas cerâmicas de 1 μm. Elas são superaquecidas sob pressão até que se liguem e obtenham maior dureza.

Processamento de CerâmicasMateriaisModernos

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Cerâmicas• Exemplo

Ti(s) + 4 CH3CH2OH(l) → Ti(OCH2CH3)4 (s) + 2 H2 (g)

Ti(OCHTi(OCH22CHCH33))4 (aq) 4 (aq) + 4 H + 4 H22O → Ti(OH)O → Ti(OH)4 (s)4 (s) + 4 CH + 4 CH33CHCH22OHOH(l)(l)

(OH)3Ti – O – H(s) + H – O – Ti(OH)3(s) → → (HO)(HO)33Ti – O – Ti(OH)Ti – O – Ti(OH)3(s)3(s) + H + H22OO(l)(l)

Cerâmicas

• São materiais cerâmicos criados a partir de uma mistura complexa de dois ou mais materiais. Uma matriz cerâmica com fibras de um material cerâmico. Fibras possuem grande resistência a cargas aplicadas em seu eixo, fortalecendo a matriz e resistindo às deformações.

Compósitos cerâmicosMateriaisModernos

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Cerâmicas

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Carbeto de silício

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Cerâmicas

• Indústrias de ferramentas de corte• Indústrias eletrônicas• Fabricação de ladrilhos cerâmicos para ônibus espaciais• No dia-a-dia em geral, nas mais variadas formas

Aplicações da cerâmica

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Supercondutividade• Característica mostrada

por substâncias quando resfriadas abaixo de uma temperatura específica, chamada temperatura de transição da supercondutividade, Tc.

• Alguns valores de Tc:

Substância Data Tc (K)

Hg 1911 4,0Nb3SN 1954 18,0

SrTiO3 1966 0,3

Nb3Ge 1973 22,3

BaPb1-xBixO3 1975 13,0

La(Ba)2CuO4 1986 35,0

YBa2Cu3O7 1987 95,0

BiSrCaCu2Ox 1988 100,0

Tl2Ba2Ca2Cu3O10 1988 125,0

HgBa2Ca2Cu3O8+x 1993 133,0

Cs3C60 1995 40

MgB2 2001 39

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Supercondutividade• Efeito Meissner: exclusão do fluxo magnético do volume do

material. Poderia ser usado para construir trens que levitam magneticamente e se deslocam com altíssimas velocidades, sendo limitados apenas pela necessidade de baixas temperaturas.

• Supercondutividade de alta temperatura: elementos que possuem Tc mais elevado.

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Supercondutividade

• O MgB2 torna-se supercondutor a 39 K. Assim, outros compostos relacionados na mesma família possuem também Tc elevado. Apesar do campo ser promissor, cientistas estimam que novas descobertas não serão traduzidas em aplicações práticas.

Novos supercondutores

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Filmes Finos• São filmes com espessura variando de 0,1 μm a 300 μm.

Devem possuir uma ou mais das seguintes características:• Estável onde será usado• Aderente à superfície• Espessura uniforme• Quimicamente puro ou de composição química

controlável• Baixa densidade de imperfeições

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Filmes Finos

• Microeletrônica em condutores, resistores e capacitores;• Usados como revestimentos ópticos;• Superfícies metálicas de ferramentas;• Aplicados a vidros para reduzir arranhões e desgaste.

Usos de filmes finosMateriaisModernos

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Filmes Finos

• Deposição à vácuo: o filme fino é aquecido em uma câmara de alto vácuo. Moléculas vaporizadas se deslocam para o ponto de deposição e a peça é girada para obter um revestimento uniforme.

Fabricação de filmes finosMateriaisModernos

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Filmes Finos

Filmes Finos• Decomposição de vapor químico: a superfície é revestida

com um composto químico volátil, que sofre alguma forma de reação química para formar um revestimento estável e aderente.

Ex.: TiBr4(g) + 2 H2(g) → Ti(s) + 4 HBr(g)

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Tendências futuras• Carro plástico: com plásticos mais resistentes, está sendo

possível cada vez mais utilizar plásticos de alta resistência em veículos automotores.

• Atualmente têm sido usados polímeros de carbono como repositores de juntas e outros. O “enodolign” é um polímero tão resistente quanto metais e que causa pouquíssimos danos ao organismo.

• Visores de cristal líquido (LCD). Apesar de já serem usados, têm ampliado seu mercado atualmente com novas aplicações.

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Referências Bibliográficas• http://pslc.ws/macrog/lab/lab01.htm• http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_IV/

Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/D-Nylon-e.htm• http://www.wikipedia.org• http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/polimeros.html• Busca de imagens do google• Quimica: A Ciência Central – Brown, LeMay, Bursten – 9ª

edição

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