Capítulo 12 Materiais Modernos Danillo Lopes Nunes Lucas Corrêa Lemes.

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

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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


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


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


• 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


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


• 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


Biomateriais

http://www.red-dental.com/052005/B12.jpg

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


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


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


Cerâmicas

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Carbeto de silício


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


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


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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