Materiais de Construção - Ibracon - C50

Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia

GLEIZE, Philippe

J.P.Universidade Federal de Santa

Catarina

NANOTECNOLOGIA E MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO

Capítulo 50


There's Plenty of Room at the Bottom!

“Porque não seria possível escrever a integralidade da enciclopédia Britânica na cabeça de um alfinete. Os

princípios da física não se opõem à

idéia de manipular a matéria átomos por átomos”

Richard Feyman, 29 de dezembro de 1959

Introdução: nanotecnologia


Engenharia dos materiais e das estruturas com tamanho variando de 1 a 100 nanômetros (10-9

a 10-7

m)

•

Quatro átomos de silício colocados um ao lado do outro

•

Diâmetro de um fio de cabelo humano: 30.000 nanômetros



Explora as propriedades e os fenômenos que ocorrem na nanoescala

•

Efeitos quânticos que prevalecem até

10 nm: o óxido de zinco é

branco e opaco, mas na escala nanométrica ele é

transparente•

Efeitos das altíssimas superfícies e interfaces: uma partícula de 5 nm

de diâmetro tem a metade de seus átomos na

superfície•

Aumento das superfícies de contato

•

Aumento da reatividade



Produção de nanomateriais, nanocomponentes

e nanosistemas

•

Via descendente (em inglês top-down): o material é

dividido (cortado) para atingir as menores dimensões possíveis

•

Via ascendente (em inglês bottom-up): os átomos são ligados um a um para construir as moléculas que são integradas em sistemas maiores



O controle da matéria na escala nanométrica abre enormes perspectivas na possibilidade de criar materiais,

dispositivos e sistemas com novas funções e propriedades•

Combinando alta durabilidade, resistência e dureza com ductilidade

•

Multifuncionais com desempenho mecânico combinado a propriedades de isolamento / condutividade térmica, elétrica, magnética ou óptica

•

“Ativos”

/ “adaptativos”

com características programáveis (auto-reparo, detectores, otimizando o consumo energético, etc.)



Essas características serão alcançadas através de:•

Modificação da estrutura dos materiais na escala nanométrica

•

Elaboração de nanocompósitos ou híbridos orgânico/inorgânicos, inorgânicos/metálicos pela adição de nanopartículas, nanofibras e nanosistemas nos materiais tradicionais resultando em novas ou melhores performances

•

Elaboração de revestimentos funcionalizados pela incorporação de nanopartículas ou nanocamadas em materiais tradicionais

•

Criação de sistemas e sensores monitorando comportamento e performances dos materiais ou componentes e capazes de se adaptar frente às mudanças do ambiente



Expectativas em termos de inovações necessárias ao desenvolvimento sustentável de nossa sociedade:

•

Economia de energia e desenvolvimento de energia

renováveis

•

Tratamento de doenças graves•

Desenvolvimento dos meios de comunicação

•

Redução das poluições e rejeição de gases ao efeito estufa•

Redução de consumo de matéria-prima não renovável e de água potável

•

Melhoria da qualidade de vida



Alguns produtos comerciais fruto da nanotecnologia•

Reforço por nanotubos de carbono (raquetes de tênis, bolas de golf e algumas peças automóveis)

•

Vidro eletrocrômico e autolimpante, tinta antipichação•

Nariz eletrônico capaz de detectar gazes nocivos, contaminação e poluição

•

Embalagem alimentícia, produtos cosméticos e têxteis•

Aços de alto desempenho

•

Hiperisolantes

térmicos•

Catalisadores alto rendimento, nanocompósitos para a aeronáutica

•

Setor eletrônico: sensores, memórias, telas flexíveis



•

Na indústria da construção, a nanotecnologia tem potencial para melhorar muitos materiais de construção, tais como: aços estruturais, polímeros, materiais cerâmicos e materiais cimentícios.

•

O desenvolvimento de materiais nanomodificados

poderia, por exemplo, tornar•

as estruturas mais resistentes, leves e seguras;

•

os sistemas de fechamento e vedação mais isolantes, térmicos e acústicos com várias funcionalidades adicionais, como captação e armazenamento de energia, auto-reparo, autolimpeza, proteção contra o fogo, aquecimento/resfriamento.



Classificação dos nanomateriais e materiais nanomodificados

•

Materiais nanoreforçados

ou nanocarregados

nos quais os nano objetos podem ser incorporados na matriz por mistura ou produzidos in situ, proporcionando reforço e redução de massa (nanocompósitos), criando novas funções. Os nano objetos podem também ser usados tais quais

•

Materiais nanoestruturados

em superfície com propriedades de superfície previamente estabelecidas e novas funcionalidades

•

Materiais nanoestruturados

em volume com modificação da nanoestrutura, da porosidade, podendo ser produzidos por automontagem molecular, usando os conceitos da síntese biomimética



•

A incorporação de relativamente baixas quantidades de nanopartículas (ate 5% em massa) em alguns polímeros permite:•

aumentar módulo de elasticidade, resistência mecânica e dureza sem afetar a ductilidade do material, possibilitando, por exemplo, a redução de espessura das peças

•

diminuir a permeabilidade a gazes, possibilitando, por exemplo, maior tempo de conservação de alimentos sob vácuo, sem alterar as características óticas

•

melhorar o comportamento frente a variações de temperatura (dilatação, deformações, degradação) e em relação à

combustão (retardante

de fogo)

Nanocompósitos com matriz polimérica


A combinação da melhoria da rigidez e resistência com a tenacidade é

excepcional e pode tornar esses

nanocompósitos uma nova família de materiais com altíssimo desempenho

Nanocompósitos com matriz polimérica


Dispersão de nanofolhas

(geralmente aluminosilicatos

em camadas: filossilicatos, argilominerais e esmectitas) numa

matriz polimérica (Vaia e Giannelis, 2001)

Nanocompósitos com matriz polimérica e cargas inorgânicas lamelares


•

Principais desafios na elaboração desses materiais: •

Esfoliação da carga (separação das folhas individuais)

•

Dispersão da carga na matriz•

Domínio das interações carga-polímero•

Esses fatores estão estreitamente ligados não só

aos tipos de

polímero e carga, mas sobretudo à

compatibilização carga/polímero e ao processo de síntese. Para aumentar a compatibilização carga/polímero, é

necessário funcionalizar

a

superfície dos aluminosilicatos

pela substituição dos cátions hidrofílicos alcalinos e alcalino-terrosos intercamada dos aluminosilicatos

por, por exemplo, cátions amônia ou

fosfatatado

organofílicos



Dependendo da natureza dos constituintes e do método de preparação, 3 tipos de compósitos podem ser obtidos

(Alexandre e Dubois, 2000):



Algumas características mecânicas do náilon-6 comparadas com um microcompósito clássico e um nanocompósito

náilon-6 / montmorilonita (Okada

e Usuki, 1995)


Material % de montmorilonita

Resistência à ruptura (MPa)

Modulo de Young (GPa)

Tenacidade (kJ/m2)

Náilon-6 puro 0 69 1,1 6,2

Microcompósito 5,0 61 1,0 5,9

Nanocompósito 4,2 107 2,1 6,1


Algumas características mecânicas do poliuretano comparadas com um nanocompósito poliuretano

/ montmorilonita (Wang

e Pinnavaia, 1998)


Material % de montmorilonita

Resistência à tração (MPa)

Modulo de Young (MPa)

Deformação na ruptura (%)

Poliuretano 0 1,5 2 60

Nanocompósito 5 2,5 4,6 90


Esquema mostrando que, para uma mesma fração em volume de carga, a região interfacial, ínfima no caso do

macrocompósito, se torna a fase predominante no nanocompósito (Vaia e Giannelis, 2001)



•

Melhoria da estabilidade térmica pelo aumento da temperatura de distorção ao calor (início do amolecimento) em até

150oC

•

Capacidade de atuar em sinergia com produtos retardantes

de chama na resistência ao fogo através da

formação de uma camada (char) isolante e incombustível, e isto com baixos teores de carga



Redução significativa da permeabilidade aos gases pelo aumento da tortuosidade (Lettre

de L´Agence

Rhône-

Alpes

pour

la

Mâitrise

des

Matériaux, 2005).



Nanotubos de carbono (NTC): folhas (uma ou mais) de grafeno

enroladas em forma cilíndrica

Resistência a tração: 11 -

63 GPaMódulo de Young: 450 -

1500 GPa

Nanocompósitos com matriz polimérica reforçada por nanopartículas e nanofibras


•

Qian

et

al. (2000): 1% de NTC aumentou módulo e tensão na ruptura do poliestireno em, respectivamente, 42 e 25%

•

Gong

et

al. (2000): 1% de NTC aumentou em 30% do módulo de uma resina epóxi

•

Weisenberger

et

al. (2003): 1,8% de NTC aumentou módulo, resistência à

tração e tenacidade de uma matriz

de poliacrílico

em, respectivamente, 36%, 31% e 80%•

Ruan

et

al. (2003): 1% de NTC aumentou módulo,

resistência à

tração e tenacidade do polietileno de altíssimo peso molecular em, respectivamente, 25%, 25% e 150%

•

Biercuk

et

al. (2002): 2% de NTC triplicou a dureza (Vickers) de uma resina epóxi



•

No entanto, apesar de promissor, esse desempenho está, por enquanto, bem abaixo do que deixavam esperar as características mecânicas dos NTC. Isso é

devido a duas

dificuldades:•

1) Conseguir uma dispersão uniforme dos NTC ao longo da matriz polimérica

•

2) Otimização da adesão NTC/matriz para promover uma efetiva transferência de tensões.

•

Porém, por meio de modificações químicas da superfície dos NTC e do uso de tenso-ativos de alto desempenho, a dispersão e a ancoragem desses NTC nas matrizes poliméricas podem ser melhoradas



Em metalurgia, usando os conceitos da nanociência, procura-se:

•

Sintetizar nanocompósitos de metais com outros materiais (tais como cerâmicas (cermet), polímeros, nanotubos de carbono)

•

Lutar contra a corrosão•

Produzir metais e ligas nanomodificados

Nanotecnologia e metais


•

A redução do tamanho de grão na escala nanométrica:•

Pode baixar de 40oC

a temperatura de transição dúctil / frágil

no aço doce (Koch, 1999)•

Pode tornar os metais puros entre 2 e 7 vezes mais duros e, conseqüentemente, mais resistentes

(Siegel, 1997)

•

Gera comportamentos atípicos: o recozimento do alumínio nanoestruturado

em lâminas a 150oC durante 30 minutos

aumentou a resistência em 9%, e a ductilidade foi tão reduzida, que o metal se tornou quase frágil, enquanto o encruamento

a frio por laminação aumentou a ductilidade às

custas da resistência, ao contrário do efeito desses

tratamentos em metais convencionais

(Huang, Hansen

e

Tsuji, 2006)

Metais e ligas nanomodificados


Limite de elasticidade de nanocompósitos Al/NTC comparadas com o alumínio puro em função do tempo de

recozimento (Kuzumaki

et

al., 1998)

Nanocompósitos metal / nanofibras

Limite de elasticidade

(MPa)

Limite de elasticidade (MPa) após recozimento a 873 K

durante 50 h

Limite de elasticidade (MPa) após recozimento a 873 K

durante 100 h Alumínio puro 89 45 40 Nanocompósito Al / 5% NTC

83 75 76

Nanocompósito Al / 10% NTC

80 75 76


•

Problemas de dispersão foram apontados por Feng, Yuan e Zhang

(2005) como causa do aumento, abaixo do

esperado, da resistência à

flexão (9%) de nanocompósitos de prata com 8% em volume de NTC. Por outro lado, os autores observaram um aumento de 27% da dureza.

•

Melhorando a dispersão dos NTC na matriz de alumínio, George et

al. (2005) relatam um aumento do módulo de

Young e da tensão de escoamento de, respectivamente, 27% e 24% em nanocompósitos de alumínio com 2% de NTC em volume em relação à

matriz pura.



Módulo de Young, limite de elasticidade e tensão de escoamento de nanocompósitos Cu/NTC comparados

com o cobre puro (Kim et

al., 2006)


Módulo de Young (GPa)

Limite de elasticidade

(MPa)

Tensão de escoamento – 0,2% (MPa)

Deformação (%)

Cobre puro 70 135 176 14 Nanocompósito Cu / 5% NTC

125 150 220 8

Nanocompósito Cu / 10% NTC

137 197 281 6,5


•

Aumento da resistência à

corrosão•

Aço inoxidável nanomodificado

que combina alta resistência

(até

3000 MPa) com tenacidade e ductilidade (redução da quantidade de material usado e, conseqüentemente, do peso) e resistência à

corrosão (evita a necessidade de

tratamentos ambientalmente incorretos, como a cromatização) (Sandvik, 2007)

•

Aço com nanoestrutura laminada similar à

madeira compensada não apenas torna-o tão resistente à

corrosão

quanto um aço inoxidável convencional, mas também gera propriedades mecânicas (resistência, ductilidade, fadiga) superiores às dos aços de alta resistência tradicionais (MMFX, 2007)

Nanotecnologia e metais


•

Os materiais cerâmicos apresentam, geralmente, alta rigidez e excelente estabilidade térmica com uma densidade relativamente baixa. No entanto, sua fragilidade limita seu uso como material estrutural

•

A combinação de nanopartículas ou nanofibras com uma matriz cerâmica pode potencialmente gerar compósitos com alta estabilidade térmica aliada a uma excepcional tenacidade

Nanocompósitos com matriz cerâmica


O desempenho dos nanocompósitos depende:

•

Da quantidade e qualidade dos NTC

•

Do processo de fabricação que determina a dispersão e orientação dos NTC na matriz, assim como a natureza das ligações interfaciais NTC matriz

Nanocompósitos com matriz cerâmica e nanotubos de carbono


•

Compósitos NTC/SiC apresentam um aumento de 10% na resistência e na tenacidade

(Ma et

al.,1998)

•

Compósitos alumina/NTC (10%) apresentam um aumento de 24% da tenacidade (Siegel

et

al., 2001)

•

Nanocompósitos alumina nanocristalina

/ NTC (10%) apresentam um aumento da tenacidade num fator 3 em relação à

alumina monolítica (Zhan

et

al., 2003)

•

Nanocompósitos

pó

de sílica / NTC (5%) apresentam um aumento de 65% na resistente à

flexão e uma rigidez

100% maior do que o mesmo material produzido sem NTC (Ning

et

al., 2003)



Características de um nanocompósito de Si3

N4

com NTC comparadas com a matriz pura e compósitos com reforços

tradicionais à

base de carbono (Balazsi

et

al., 2003).


Densidade aparente g/cm3

Modulo de Young (GPa)

Resistência à flexão (MPa)

Si3N4 puro 3,116 225 600 Si3N4 + de negro de fumo (23% em massa)

2,415 110 120

Si3N4 + grafite (23% em massa) 2,42 90 210 Si3N4 + fibras de carbono (1% em massa)

2,315 80 110

Si3N4 + NTC (1% em massa) 2,467 125 290


Materiais sólidos formados por uma rede interligada de nanopartículas de sílica (às vezes alumina):

•

Hiperporosidade, superior a 99%, sem ser pulverulento•

Densidade de 3 kg/m3

•

Área específica superior a 500 m2/g.

Aerogéis


•

Possuem propriedades de isolamento térmico excepcionais: podem apresentar uma condutividade térmica inferior à

do ar. Devido ao tamanho dos poros

entre 2 e 50 nm, o ar não consegue circular livremente, quase bloqueando o transporte de calor por convecção

•

Têm uma transmissão luminosa de 84% (a do vidro é

de 89%), o que os torna candidatos promissores para a isolação em duplos envidraçamentos

Aerogéis


•

Concretos, argamassas e derivados, que possuem as nanoestruturas complexas do cimento e seus hidratos, são excelentes candidatos para a manipulação e o controle de suas propriedades através da nanotecnologia:•

A adição de nanopartículas ao concreto permitirá

um melhor

controle da sua microestrutura e produzir materiais mais resistentes e mais duráveis

•

A capacidade de programar a difusão progressiva dos aditivos químicos em concretos e argamassas permitirá

tornar mais eficientes as operações no canteiro•

A utilização de ligantes reforçados com fibras e armaduras de diâmetro nanométrico permitirá

produzir produtos

cimentícios mais resistentes, impedindo a formação e a propagação de fissuras

Nanotecnologia do cimento e seus produtos


•

O C-S-H é

considerado como o verdadeiro ligante da pasta de cimento endurecida e é

o principal responsável

por grande parte das propriedades da pasta de cimento endurecida.

No entanto:

•

É

um material frágil com baixa resistência à

tração

•

É

responsável pela instabilidade dimensional dos produtos à base de cimento (retração, fluência).



O C-S-H apresenta um modo de organização estrutural multiescala

(Minet, 2003):



Modelo de Feldman e Sereda: a estrutura do C-S-H écomposta por um arranjo aleatório, irregular e dobrado de folhas, de modo a formar espaços intersticiais de forma e

tamanho diferentes (50 a 250 nm) (Regourd, 1982)



•

Melhorando a coesão e dominando a fluência•

Quase todos os avanços nas propriedades mecânicas dos materiais cimentícios

conseguidos nas últimas décadas

foram realizados através da redução da porosidade capilar e pela otimização dos empilhamentos granulares. No entanto, em termos de desempenho, chegou-se próximo de uma assíntota, o que sugere que a melhoria das propriedades mecânicas só

pode vir a partir de modificações nas escalas

mais finas do material. Isso ocorre de duas maneiras•

Controle da nanoporosidade

(poros de tamanho inferior à

centena

de nanômetros) que se situa ao nível do arranjo das nanocristalitas

do silicato de cálcio hidratado

•

Modificação das forças de ligação entre as partículas (nanocristalitas

do silicato de cálcio hidratado)



•

Melhorando a coesão e dominando a fluência•

Até

recentemente, a natureza dessas ligações era

desconhecida. Há, agora, uma clara evidência de que há envolvimento de forças iônicas (simulações de Monte Carlo,

dinâmica molecular, medidas diretas de força atômica em nanoescala) dentro do nanofilme

da água que separa as

partículas do gel de C-S-H (Pellenq

e Van

Damme, 2004). •

Aprender como modificar essas forças, por substituições iônicas nas fases do cimento, pode ser o caminho a ser seguido para a melhoria da resistência.

•

Entender e controlar a mobilidade iônica e molecular nos filmes nanoscópicos

que separam as partículas elementares

do hidrato permitirá

uma compreensão nanomecânica

das deformações plásticas lentas, abrindo novos caminhos para o controle da fluência.



•

Evitando a fissuração nas primeiras idades•

A fissuração nas primeiras idades pode ocorrer através da perda de água por secagem, ou sob condições endógenas no caso de materiais de alto desempenho com baixas relações a/c (< 0,3)

•

As forças que conduzem a tal fissuração são as forças capilares geradas nos poros que, geralmente, são parcialmente preenchidos com água. As forças capilares tornam-se significativas quando o tamanho dos poros parcialmente preenchidos é

menor que aproximadamente 50

nm.•

A incorporação de pequenas quantidades de nanofibras, atuando como pontes de transferência das tensões de tração geradas, por tais forças capilares pode ser uma solução para diminuir a ocorrência de fissuração nas primeiras idades



•

Aumentando a resistência e a ductilidade ao mesmo tempo

•

O reforço da estrutura do C-S-H com fibras e armaduras de diâmetro nanométrico

permitirá

produzir produtos

cimentícios

mais resistentes e também mais dúcteis, permitindo dispensar-se o uso da armadura de aço

•

Outra via potencial para tornar o C-S-H mais dúctil é

a fabricação de nanocompósitos

ou híbridos C-S-

H/polímero. A intercalação de moléculas orgânicas na nanoestrutura

do C-S-H e de outros hidratos do cimento

pode possibilitar mudanças radicais das propriedades em todas as ordens de grandeza.



•

Aumentando a velocidade de ganho de resistência•

A possibilidade de aumento da relativa baixa velocidade de ganho de resistência em construções baseadas em cimento Portland

seria uma contribuição significativa em termos de

produtividade no canteiro, permitindo desfôrma

e

carregamento dos elementos estruturais mais rápidos.

•

A ativação térmica é

usada para acelerar a velocidade de ganho de resistência, mas, em contrapartida, gera propriedades pouca satisfatórias em longo prazo.

•

Uma melhor compreensão da nanoestrutura

dos hidratos e a maneira em que estes são influenciados por vários parâmetros (mudanças de temperatura e aditivos) abrirá

a

possibilidade de melhorarem-se as propriedades tanto em curto quanto em longo prazo pela “manipulação”

da

formação dos hidratos por meio de adições controladas para mudar a química do sistema.



•

Melhorando o rendimento do cimento •

Para reduzir as emissões do CO2, o consumo de matérias fósseis e de energia, é

necessário reduzir a quantidade de

clínquer

usado em produtos de cimento. Isso se consegue pelo aumento dos níveis de substituição do cimento por subprodutos industriais, tais como cinzas volantes, escórias de alto forno e sílica ativa.

•

O domínio dos nanoprocessos

em termos de reatividade de superfície e de nanoestrutura

dos hidratos e a localização

desses hidratos na matriz compósita permitirá

encontrar maneiras de aumentar a velocidade de desenvolvimento das características mecânicas das misturas que contêm esses materiais, mas sem afetar a durabilidade em longo prazo.



•

Entendendo e controlando as reações deletérias do cimento no concreto•

O mecanismo da expansão gerada pelo gel formado a partir da reação de alguns tipos de agregados com os álcalis do cimento parece envolver uma transformação de fase de um gel amorfo para uma estrutura em camada.

•

No caso da formação de etringita

expansiva, sabe-se que, sob certas condições, o C-S-H pode adsorver os íons sulfatos e soltá-los sob outras condições.

•

Uma melhor compreensão desses mecanismos na nanoescala

e da maneira em que a nanoestrutura

está

influenciada pela química do sistema, temperatura e umidade relativa pode permitir o controle e a minimização desses fenômenos deletérios.



•

Materiais a base de cimento portland

com nanopartículas•

Aumento da viscosidade da fase líquida, reduzindo a segregação e aumentando a trabalhabilidade

•

Efeito fíler: as nanopartículas

preenchem os vazios entre os grãos de cimento

•

As nanopartículas

aceleram a hidratação do cimento e favorecem a formação de pequenos cristais de hidróxido de cálcio e aglomerados de C-S-H

•

A nanosílica

participa na reação pozolânica, consumindo o

hidróxido de cálcio produzindo um C-S-H adicional

•

As nanopartículas

melhoram a microestrutura da zona interfacial de transição, resultando numa melhor ligação entre agregados e pasta de cimento

•

A melhoria geral da microestrutura aumenta a tenacidade, resistência ao cisalhamento, tração e flexão



•

Biomimética: ciência que tenta reproduzir a natureza ou, em outras palavras, entender porque a natureza privilegiou certa solução para resolver um problema dado considerando os meios à

disposição: matérias-primas,

condições de temperatura e de pressão do ambiente, etc.

•

Estuda-se como a natureza soluciona, por exemplo, problemas de adesão e produz materiais resistentes, tenazes e leves ao mesmo tempo.

Biomimética, materiais automontados, auto-reparo


•

É

possível decompor-se a aproximação biomimética

em três grandes etapas (Arribart, 2005): 1.

A identificação: escolher um material que apresenta propriedades interessantes.

2.

A compreensão: entender como a propriedade em questão se expressa. A caracterização aprofundada da estrutura, que deve ser realizada em vários níveis de escala, do macroscópico ao nanométrico, permitirá

entender os

processos de formação, as regras e os modos de construção dos objetos biológicos, aprender a controlar as ligações químicas e físico-químicas nas interfaces, a forma e a compactação das nanopartículas, etc.

3.

A imitação: usar métodos que, em geral, são diferentes e mais eficientes do que os métodos naturais.



•

Porém, para serem bem-sucedidos, os materiais elaborados deverão ser duráveis, sintetizados de maneira fácil e rápida (a natureza pode demorar até

anos para

produzir um composto) e ter um baixo custo

•

Em vez de tentar copiar diretamente a biologia, uma melhor filosofia consiste em aprender da biologia e usar este conhecimento para criar materiais sintéticos. Isso pode envolver o uso ou não de moléculas biológicas, mas não deve se tentar plagiar um processo biológico específico (Braun, 2003)



•

Os organismos biológicos produzem materiais compósitos complexos que apresentam uma composição e microestrutura hierarquizada, contendo misturas complicadas de componentes orgânicos e inorgânicos (Lin

e Meyers, 2005)

•

Por exemplo, alguns desses materiais naturais, tais como conchas, ossos, dentes, etc., aproveitam-se dessa sinergia apresentando propriedades únicas do ponto de vista de sua tenacidade, resistência à

flexão, etc., e isto

para teores em fase orgânica extremamente baixos.



•

Camada de nácar da casca da concha de abalone (molusco da Califórnia)•

Excepcionalmente resistente por causa da estrutura nanocompósita

em camadas alternadas inorgânica/orgânica, na

qual nanocamadas

de cerâmica cristalina (aragonita

com 500 nm de espessura) são separadas por nanocamadas

(30 nm

de

espessura) de uma matriz orgânica de proteína à

base de polissacarídeo



•

Formação da camada de nácar da casca da concha de abalone: processo de biomineralização•

A matriz orgânica, que representa somente uma pequena parcela do material, é

sintetizada, inicialmente, formando um

“nanoesqueleto”

em camadas, cujos vazios são preenchidos pelos cristais de aragonita

•

A matriz define a forma e o tamanho dos cristais de aragonita, mas também controla sua orientação cristalográfica

•

Conseqüentemente, forma-se um material no qual uma fratura dissipará

muita energia para se propagar através o caminho

tortuoso formado pela matriz. O compósito resultante apresenta uma tenacidade cerca de 3000 vezes maior em relação à

aragonita

inorgânica.



•

Formação da camada de nácar da casca da concha de abalone: processo de biomineralização•

Porém, as estruturas parecidas com a da concha de abalone sintetizadas em laboratório apresentam propriedades bem

inferiores (Braun, 2003). Isso sugere que a estrutura da concha de abalone é

mais do que uma simples alternância de camadas

orgânicas e inorgânicas. •

Segundo Weiner

e Addadi

(1997), a maneira segundo a qual a

fase mineral e o material orgânico estão organizados é

um dos fatores chave que contribuem nas performances do material. Isso sugere que uma das estratégias desses materiais é

a capacidade

de criar propriedades isotrópicas em compostos inerentemente anisotrópicos.



•

Outros exemplos de comportamentos marcantes que podem servir de modelos para melhorar materiais de engenharia:•

o entendimento do processo em que mexilhões conseguem se

grudar em superfícies subaquáticas e sob pressão poderia ser muito útil para as construções submersas

•

a reprodução das características repelentes a água da superfície da folha de lótus permitirá

fabricar materiais e componentes

sempre limpos, dispensando a manutenção •

a aranha produz fios que têm tenacidade cinco vezes maior do que

a o aço (relacionado à

massa), deformam até

40% sem romper e têm alta resistência à

degradação. Os fios são formados por uma

mistura complexa de duas proteínas cada uma contendo três tipos de regiões (cristalina altamente orientada, cristalina menos orientada e amorfa) com propriedades distintas (Zhu

et

al., 2004)



•

O conceito de auto-reparo ou autocicatrização

é

também baseado na síntese biomimética. Para ser bem-sucedido, o compósito sintético autocicatrizante

deve conter um

sistema de auto-reparo que:•

não afete as propriedades e performances do material,

•

que seja capaz de detectar o dano e iniciar o reparo,•

que restaure as propriedades originais do material, como, por exemplo, resistência e tenacidade (Wool, 2001).



•

Sistema de auto-reparo de uma resina epóxi (White et

al. 2001) •

Microcápsulas

foram preenchidas pelo fluido de reparo, o

diciclopentadieno, que, na presença do catalisador de Grubbs, forma um polímero muito tenaz.

•

As microcápsulas

e o catalisador foram incorporados

separadamente à

matriz de epóxi moldada na sua forma final.

•

O material foi carregado de maneira a formar microfissuras. •

Por razões de transferência de tensões, as microfissuras

migram

em direção às microcápsulas

menos rígidas que vão romper e liberar o fluido de reparo.

•

O fluido vai caminhar por capilaridade nas microfissuras

até encontrar o catalisador de Grubbs, iniciando, assim, a

polimerização e o preenchimento da microfissura, restaurando a resistência e a tenacidade da resina epóxi.



•

Revestimento anticorrosão

capaz de autocicatrização (Shchukin

et

al. 2006)

•

São sintetizados nanoreservatórios

contendo o inibidor de

corrosão: formados por nanopartículas

de sílica recobertas por

uma finíssima camada de dois polímeros eletricamente carregados; em seguida, vem a camada de inibidor de corrosão, o benzotriazol, que se fixa nos polímeros.

•

Os nanoreservatórios

são misturados a um gel que é

espalhado na superfície do metal a ser protegido, o alumínio neste caso, dando uma proteção inicial por barreira física como qualquer

revestimento. •

Mas quando ocorre um dano na camada de gel, os polímeros liberam o inibidor de corrosão que vai preenchendo a fissura recém-aberta. O gel consegue “tapar”

fissuras de ate 100 μm de

abertura em menos de 24 horas.



•

O desenvolvimento de materiais e componentes pela aplicação dos conceitos da nanociência/nanotecnologia deve beneficiar vários setores da economia, tais como saúde, energia, meio ambiente, eletrônica, química, cosmética, têxteis, transporte, assim como a indústria da construção.

•

Porém, mesmo se existirem alguns produtos comerciais, a nanotecnologia aplicada à

construção está

ainda num

estágio embrionário. Isso é

devido ao fato de que, geralmente, as inovações na construção civil estão oriundas, tradicionalmente, da transferência de tecnologia de outros setores.

Conclusão


•

Em curto prazo, o maior impacto deve ser na melhoria das performances dos materiais. Salienta-se que, devido ao grande consumo de materiais pela indústria da construção civil, qualquer melhoria pode gerar enormes benefícios socioeconômicos e ambientais.

•

A médio e longo prazo, será

provavelmente possível produzir materiais e componentes multifuncionais como, por exemplo, materiais cujas propriedades elétricas, mecânicas e térmicas seriam definidas a priori e exibiriam uma anisotropia ou uma heterogeneidade adaptável a situações precisas.

Conclusão


•

Riscos da nanotecnologia•

O mais óbvio, inerente à

nanotecnologia, está

ligado ao

tamanho dos objetos que são invisíveis para o olho humano. •

Um outro risco é

devido às modificações eventuais das

propriedades físicas e químicas dos materiais quando passam do tamanho macro para o nano. Por exemplo, na forma maciça, a maioria dos metais não interage com o organismo humano, enquanto na forma nanométrica

eles

podem se transformar em venenos extremamente potentes. •

Atualmente, muitos estudos sobre os riscos toxicológicos associados à

disseminação de nanopartículas

em nosso

ambiente (solo, água e ar) estão em desenvolvimento

Conclusão

Materiais de Construção - Ibracon - C50

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