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BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICA TQ-064 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José Dallavalli.

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1 BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICA TQ-064 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José Dallavalli

2 Interações atômicas básicas Ligações entre átomos Ligações entre átomos –Iônicas Ligações eletrostáticas Ligações eletrostáticas –Covalentes Compartilhamento de elétrons Compartilhamento de elétrons –Metálicas Fluído eletrônico ou gás Fluído eletrônico ou gás –Hidrogênio Interação iônica entre átomos ligados covalentemente Interação iônica entre átomos ligados covalentemente –Van Der Waals Pequenas assimetrias na distribuição de cargas do átomos que criam dipolos Pequenas assimetrias na distribuição de cargas do átomos que criam dipolos

3 Interações atômicas básicas Cristais Cristais –Organização –Repetição 3 D de moléculas ou átomos –Estruturas empacotadas –Orientação e direções cristalinas –Sistemas cristalinos

4 Propriedades dos Materiais Falha nos materiais Falha nos materiais Fratura Fratura Deformação plástica Deformação plástica Tensões e deformações críticas Tensões e deformações críticas Fadiga, falha sobre condições cíclicas Fadiga, falha sobre condições cíclicas

5 Curva Tensão-Deformação Amostra Gage Length Célula de Carga Tração Elongamento (mm) Carga (10 3 N) Deformação, (mm/mm) Tensão, (MPa) Normalização para eliminar influência da geometria da amostra

6 Curva Tensão-Deformação (cont.) Deformação, Є (mm/mm) Tensão, (MPa) Plástica Elástica Deformação, Є (mm/mm) fratura Limite de escoamento Como não existe um limite claro entre as regiões elástica e plástica, define- se o Limite de escoamento, como a tensão que, após liberada, causa uma pequena deformação residual de 0.2%. O Módulo de Young, E, (ou módulo de elasticidade) é dado pela derivada da curva na região linear.

7 Propriedades Mecânicas dos Metais Região elástica (deformação reversível)Região elástica (deformação reversível) Região plástica (deformação quase toda irreversível)Região plástica (deformação quase toda irreversível) Módulo de Young ou módulo de elasticidade => (derivada da curva na região elástica (linear)Módulo de Young ou módulo de elasticidade => (derivada da curva na região elástica (linear) Limite de escoamento (yield strength) => define a transição entre região elástica e plástica => tensão que, liberada, gera uma deformação residual de 0.2%.Limite de escoamento (yield strength) => define a transição entre região elástica e plástica => tensão que, liberada, gera uma deformação residual de 0.2%. Limite de resistência (tensile strength) => tensão máxima na curva de engenharia.Limite de resistência (tensile strength) => tensão máxima na curva de engenharia.

8 Propriedades Mecânicas dos Metais –Ductilidade => medida da deformabilidade do material –Resiliência => medida da capacidade de absorver e devolver energia mecânica => área sob a região linear. –Tenacidade (toughness) => medida da capacidade de absorver energia mecânica até a fratura=> área sob a curva até a fratura.

9 Propriedades Mecânicas dos Metais Tensão Tensão σ = F/A = onde F é a carga e A é a seção reta da amostra Deformação Deformação ε = (L-L 0 )/L 0 onde L é o comprimento para uma dada carga e L 0 é o comprimento original A curva σ-ε pode ser dividida em duas regiões. A curva σ-ε pode ser dividida em duas regiões. – Região elástica σ é proporcional a ε => σ = E. ε - Lei de Hooke, onde E = módulo de Young σ é proporcional a ε => σ = E. ε - Lei de Hooke, onde E = módulo de Young A deformação é reversível. A deformação é reversível. Ligações atômicas são alongadas mas não se rompem. Ligações atômicas são alongadas mas não se rompem. – Região plástica σ não é linearmente proporcional a ε. σ não é linearmente proporcional a ε. A deformação é quase toda não reversível. A deformação é quase toda não reversível. Ligações atômicas são alongadas e se rompem. Ligações atômicas são alongadas e se rompem. –Outras grandezas Tensão de Cisalhamento Tensão de Cisalhamento σ = G. γ G = modulo de cisalhamento

10 Mecanismos de Aumento de Resistência A deformação plástica depende diretamente do movimento das discordâncias. Quanto maior a facilidade de movimento, menos resistente é o material. A deformação plástica depende diretamente do movimento das discordâncias. Quanto maior a facilidade de movimento, menos resistente é o material. Para aumentar a resistência, procura-se restringir o movimento das discordâncias. Os mecanismos básicos para isso são: Para aumentar a resistência, procura-se restringir o movimento das discordâncias. Os mecanismos básicos para isso são: –Redução de tamanho de grão –Solução sólida –Deformação a frio (encruamento, trabalho a frio)

11 Propriedades da Superfície Em Geral Em Geral –Superfícies são excepcionalmente reativas –Superfícies são diferentes do volume –Superfícies são prontamente contaminadas –Superfície material-estrutura e móvel –Podem mudar dependendo do meio

12 Propriedades da Superfície Estruturas da Superfície e Características Estruturas da Superfície e Características –Dureza –Átomos ou moléculas –Ausência de homogeneidade –Cristalinas ou desordenadas –Hidrofobicidade (molheabilidade )

13 Propriedades da Superfície Medidas de superfície Medidas de superfície –Ângulo de contato - molheabilidade –ESCA - Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (XPS) - Identificação de elementos e estado de ligações - Identificação de elementos e estado de ligações –Auger Electron Spectroscopy –SIMS - Secondary Ion Mass Spectrometry - Identificação de elementos em baixas conc. - Identificação de elementos em baixas conc. –FTIR- Fourier Transform Infra Red - Orientação estrutural e química - Orientação estrutural e química

14 Propriedades da Superfície STM- Scanning Tunneling Microscopy STM- Scanning Tunneling Microscopy –Microscópio de Tunelamento SEM (Scanning Electron Microscopy) SEM (Scanning Electron Microscopy) –Microscópio Eletrônico de Varredura AFM (Atomic Force Microscopy) AFM (Atomic Force Microscopy) –Microscópio de Força Atômica

15 Isto significa que os cientistas agora podem olhar para um material misto e capturar átomos individuais de diferentes elementos sobre sua superfície, como o estanho e o silício. O avanço irá permitir aos pesquisadores entender a estruturação de materiais complexos e ajudá-los a projetar novos materiais com propriedades inusitadas. Isto significa que os cientistas agora podem olhar para um material misto e capturar átomos individuais de diferentes elementos sobre sua superfície, como o estanho e o silício. O avanço irá permitir aos pesquisadores entender a estruturação de materiais complexos e ajudá-los a projetar novos materiais com propriedades inusitadas. Microscópios de força atômica Microscópios de força atômica Microscópios de força atômica já são rotineiramente utilizados para visualizar átomos sobre superfícies e revelar como eles se organizam. Mas, até agora, eles não eram capazes de distinguir entre átomos de diferentes elementos químicos. Microscópios de força atômica já são rotineiramente utilizados para visualizar átomos sobre superfícies e revelar como eles se organizam. Mas, até agora, eles não eram capazes de distinguir entre átomos de diferentes elementos químicos. Agora, a equipe do Dr. Yoshiaki Sugimoto, da Universidade de Osaka, Japão, descobriu uma forma de utilizar o microscópio de força atômica para produzir imagens que revelam a identidade química de átomos individuais sobre uma superfície. Agora, a equipe do Dr. Yoshiaki Sugimoto, da Universidade de Osaka, Japão, descobriu uma forma de utilizar o microscópio de força atômica para produzir imagens que revelam a identidade química de átomos individuais sobre uma superfície. A identidade química de átomos individuais depositados sobre uma superfície pode ser determinada, graças a um novo microscópio de força atômica incrivelmente poderoso A identidade química de átomos individuais depositados sobre uma superfície pode ser determinada, graças a um novo microscópio de força atômica incrivelmente poderoso Microscópio de Força Atômica distingue átomos de diferentes elementos

16 Impressão digital atômica A relação entre força e distância é ligeiramente diferente para átomos de diferentes elementos, representando uma espécie de impressão digital para cada tipo de átomo. Os pesquisadores se aproveitaram desse fenômeno para distinguir entre átomos de chumbo, estanho e silício. A relação entre força e distância é ligeiramente diferente para átomos de diferentes elementos, representando uma espécie de impressão digital para cada tipo de átomo. Os pesquisadores se aproveitaram desse fenômeno para distinguir entre átomos de chumbo, estanho e silício. Outros grupos de pesquisadores já foram capazes de tal façanha utilizando amostras resfriadas a temperaturas extremamente baixas. Compensando cuidadosamente a agitação que ocorre na amostra a temperaturas mais altas, o grupo de Sugimoto foi capaz de fazer o mesmo em temperatura ambiente, evitando a necessidade dos enormes equipamentos de criogenia. Outros grupos de pesquisadores já foram capazes de tal façanha utilizando amostras resfriadas a temperaturas extremamente baixas. Compensando cuidadosamente a agitação que ocorre na amostra a temperaturas mais altas, o grupo de Sugimoto foi capaz de fazer o mesmo em temperatura ambiente, evitando a necessidade dos enormes equipamentos de criogenia. Os átomos individuais de uma superfície atraem ou repelem a finíssima ponta em forma de pirâmide do microscópio de força atômica à medida em que ela se move acima deles, revelando sua presença. A intensidade dessa força depende da distância entre a ponta e o átomo. Os átomos individuais de uma superfície atraem ou repelem a finíssima ponta em forma de pirâmide do microscópio de força atômica à medida em que ela se move acima deles, revelando sua presença. A intensidade dessa força depende da distância entre a ponta e o átomo.

17 Fim Ate a próxima aula


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