ECO-12

Capítulo 12
Materiais Modernos
Denis Matoszko Fortes
Cristiano Affá Ferreira
Introdução
• Um dos objetivos da química é o
desenvolvimento de materiais com
propriedades úteis.
• Abordaremos materiais de importância
para a sociedade moderna.
• Certas características macroscópicas são
resultado de estruturas em nível atômico.
Conteúdo
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Cristais líquidos
Polímeros
Biomateriais
Cerâmicas
Supercondutividade
Filmes finos
Referências bibliográficas
Cristais Líquidos
• Descobertos em 1888 por Frederick
Reinitzer.
• Substâncias que possuem uma fase
intermediária entre a líquida e a sólida.
• São geralmente compostos de moléculas
longas na forma de tubos.
• São facilmente afetados por variações na
temperatura, pressão e campos
magnéticos.
• São muito utilizados como sensores e em
visores de dispositivos elétricos.
Tipos de fases líquidas cristalinas
• Nemática:
Moléculas alinhadas ao longo de uma
direção comum, mas de forma
desordenada.
• Esmética:
Moléculas apresentam alinhamento nos
eixos, bem como em suas pontas.
• Colestérica:
Moléculas organizadas em camadas
sucessivas, com angulação em relação às
camadas adjacentes.
Devido a esta organização, variações na
temperatura ou pressão provocam
mudanças em sua cor.
Polímeros
• São compostos de massa molecular alta
formados pela união de grande número de
moléculas, chamadas monômeros.
Polimerização por adição
• As moléculas formam novas ligações pela
abertura de ligações existentes.
Exemplos de polímeros por adição
Polipropileno
Poliestireno
Polivinilacetato (PVA)
Politetrafluoroetileno
(Teflon)
Polimetilmetacrilato
(Acrílico)
Polimerização por condensação
• Duas moléculas são unidas para formar
uma outra maior pela eliminação de uma
molécula pequena.
Ex: Formação de poliamida e água.
• Grande número de polímeros de
condensação ocorre na natureza, como é o
caso das proteínas.
• Polímeros formados a partir de dois
monômeros diferentes são chamados
copolímeros.
Exemplos de polímeros por condensação
Estrutura do náilon 6,6
Tereftalato de polietileno (um poliéster)
Capa de silicone
Engrenagem de náilon (poliamida)
Tipos de polímeros
Plásticos podem ser fabricados em várias
formas, em geral aplicando-se calor e
pressão. Subdividem-se em:
• Termoplásticos, podem ser remodelados,
geralmente por aquecimento.
• Termorrígidos, não são facilmente
remodelados.
Elastômeros são materiais que exibem
comportamento elástico, isto é, retornam a
sua forma original após esticados.
Estruturas e propriedades físicas
dos polímeros
• Os átomos de carbono são arranjados de
maneira tetraédrica, de modo que a
cadeia não é reta.
• Relativa facilidade dos átomos para girar
ao redor das ligações simples de carbono.
• Esta liberdade proporciona alta
flexibilidade aos materiais poliméricos.
• Polímeros são, em geral, amorfos mas
alguns possuem certo grau de
cristalinidade.
• A cristalinidade depende da massa
molecular e de quão alinhadas estão as
cadeias poliméricas.
Polietileno de baixa
cristalinidade:
menor densidade
Polietileno de alta
cristalinidade:
maior densidade
• Certas substâncias, como os plastificantes,
podem ser adicionadas aos polímeros, para
mudar suas propriedades físicas.
Polímeros de ligação cruzada
• Reticulação é a formação de ligações
químicas entre as cadeias poliméricas.
• Quanto maior for o número de ligações
cruzadas em um polímero, mais rígido ele é.
• Um exemplo de reticulação é a
vulcanização da borracha natural.
• Adicionando-se enxofre à borracha
inicialmente macia e aquecendo-a, ela se
torna resistente e mantém sua flexibilidade.
borracha natural
borracha vulcanizada
Biomateriais
• Biomaterial é qualquer material que tem
aplicação biomédica.
• Pode ter uso terapêutico ou diagnóstico.
• Devem possuir propriedades que
satisfaçam uma determinada aplicação.
Características dos biomateriais
Biocompatibilidade:
• Capacidade do material se integrar
rapidamente ao organismo, sem reações
inflamatórias;
• Os fatores mais importantes para esse fim
são a natureza química e a textura física da
superfície do objeto.
Exigências físicas:
• Confiabilidade a longo termo;
• Durabilidade;
• Flexibilidade ou dureza, conforme a
aplicação.
Exigências químicas:
• Não reatividade em ambiente biológico;
• Não podem apresentar resíduos
provenientes de reações de polimerização.
Biomateriais poliméricos
• Os organismos são compostos em grande
parte por biopolímeros de estruturas
complexas, como proteínas e açúcares.
• Os polímeros sintéticos são formados por
estruturas mais simples, sendo
freqüentemente identificados pelo organismo
como objetos estranhos, devido à diferença
de complexidade estrutural com os polímeros
do corpo.
Exemplos de aplicações dos
biomateriais
Pele artificial
Válvula cardíaca
Componente de
substituição de
junta da bacia
Implante vascular
Cerâmicas
• Sólidos inorgânicos, podendo ser cristalinos
ou não.
• Resistentes ao calor, corrosão e desgastes.
• Normalmente duros e quebradiços.
Processamento de cerâmicas
• Para aumentar a resistência de cerâmicas a
quebras, utiliza-se freqüentemente os
processos de sol-gel e sinterização.
• Sol-gel é um método para formar partículas
extremamente finas e de tamanho uniforme.
• Sinterização é o aquecimento das partículas
de cerâmica, sob pressão, a fim de que
estas liguem-se umas às outras.
Compósitos cerâmicos
• São misturas complexas de dois ou mais
materiais cerâmicos.
• São formados pela adição de fibras
cerâmicas, a um material cerâmico, a altas
temperaturas.
• O compósito formado possui maior
resistência a defeitos e quebra.
Aplicações das cerâmicas
• Muito utilizadas na indústria de ferramentas
de cortes.
• Importante na indústria eletrônica, em
substratos de circuitos integrados
semicondutores.
• Usados no revestimento de ônibus
espaciais, para proteção térmica.
Supercondutividade
• Certas substâncias perdem toda a
resistência ao fluxo de uma corrente elétrica,
quando resfriadas abaixo de certa
temperatura.
• Esta temperatura é chamada de transição
de supercondutividade (Tc).
• Os valores observados para Tc geralmente
são baixíssimos, o que limita sua utilização
prática.
• Uma das propriedades de materiais
supercondutores é o efeito Meissner, que é a
total exclusão do fluxo magnético de seu
volume.
• Alguns óxidos cerâmicos, como o
YBa2Cu3O7 apresentam supercondutividade
em temperaturas elevadas.
• Contudo, por serem quebradiças e
possuírem grande capacidade de interação
com o ambiente, estas cerâmicas ainda não
podem ser utilizadas como supercondutores.
• Ainda não existe uma teoria satisfatória
sobre a supercondutividade em materiais
cerâmicos.
• Recentemente verificou-se que o composto
MgB2, torna-se supercondutor a 39K. Este
fato é importante devido ao baixo custo
deste composto.
MgB2 sólido
Equipamento para
processar o MgB2
Filmes Finos
• Um filme fino é uma camada de certa
substância cuja espessura varia entre 0,1 a
300 μm, cobrindo um substrato.
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Propriedades gerais:
Estabilidade química;
Pureza química;
Aderência;
Espessura uniforme;
Poucas imperfeições.
• Os filmes podem ser isolantes ou
semicondutores.
• Os filmes podem estar ligados ao substrato
de duas formas:
* Por ligações químicas; ou
* Por forças de Van der Waals e
eletrostáticas.
Lentes revestidas
por filme fino
Usos de Filmes Finos
• Revestimentos ópticos em lentes;
• Utilizados em microeletrônica;
• Revestimentos protetores em metais;
• Revestimentos em garrafas de vidro.
Fabricação de filmes finos
• Deposição a vácuo: o filme fino é aquecido em uma
câmara de alto vácuo. Moléculas vaporizadas se
deslocam para o ponto de deposição.
• Emissão: uma alta voltagem gera átomos
energéticos que são depositados no material.
• Decomposição de vapor químico: a superfície é
revestida com um composto químico volátil, que
sofre uma reação química para formar um
revestimento estável e aderente.
Referências bibliográficas
• Química: A Ciência Central – Brown, LeMay,
Bursten – 9ª edição
• http://www.wikipedia.org
• http://www.google.com