Capítulo 12 Materiais modernos

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1 Capítulo 12 Materiais modernos
QUÍMICA A Ciência Central 9ª Edição Capítulo 12 Materiais modernos David P. White

2 Cristais líquidos Os sólidos são caracterizados por sua ordem.
Os líquidos são caracterizados pela ordenação quase aleatória das moléculas. Existe uma fase intermediária onde os líquidos mostram uma determinada ordenação: o líquido flui (propriedades do líquido), mas tem alguma ordem (propriedades de cristal). Exemplo: o benzoato de colesterol acima de 179C é transparente. Entre 145C e 179C o benzoato de colesterol é leitoso e possui comportamento líquido cristalino.

3 Tipos de fases líquidas cristalinas
Cristais líquidos Tipos de fases líquidas cristalinas As moléculas de cristal líquido normalmente são longas na forma de tubos. Há três tipos de fase cristalina líquida dependendo da ordenação: cristais líquidos nemáticos (os menos ordenados): ordenados apenas na direção do eixo longo da molécula; cristais líquidos esméticos: ordenados na direção do eixo longo da molécula e em uma outra dimensão; cristais líquidos colestéricos (os mais ordenados).

4 Cristais líquidos

5 Tipos de fases líquidas cristalinas
Cristais líquidos Tipos de fases líquidas cristalinas Cristais líquidos esméticos: normalmente contêm ligações C=N ou N=N e anéis de benzeno. Lembre-se: as estruturas C=N e N=N são planas. Lembre-se: não há rotação em torno das ligações C=N e N=N. Conseqüentemente, as moléculas são rígidas. Além disso, os anéis de benzeno (planos) adicionam dureza. As moléculas são longas em forma de tubos.

6 Tipos de fases líquidas cristalinas
Cristais líquidos Tipos de fases líquidas cristalinas

7 Tipos de fases líquidas cristalinas
Cristais líquidos Tipos de fases líquidas cristalinas Cristais líquidos colestéricos: baseados na estrutura do colesterol. Moléculas alinhadas na direção de seu eixo longo. Além disso, as moléculas são arranjadas em camadas. Há um entrelaçamento entre as camadas. As moléculas são longas, achatadas, e têm forma de um tubo com uma cauda flexível. A cauda flexível provoca o entrelaçamento entre as camadas.

8 Tipos de fases líquidas cristalinas
Cristais líquidos Tipos de fases líquidas cristalinas

9 Polímeros Os polímeros são moléculas gigantescas, constituídas de muitas e muitas moléculas menores. As unidades constituintes dos polímeros são denominadas monômeros. Exemplos: plásticos, DNA, proteínas, borracha etc. Os compostos de carbono têm uma habilidade incomum de formarem polímeros.

10 Polímeros

11 Polimerização por adição
Polímeros Polimerização por adição Exemplo: o etileno H2C=CH2, pode polimerizar-se através da abertura da ligação  C-C para formar ligações  C-C com moléculas de etileno adjacentes. O resultado é o polietileno. Isto é chamado de polimerização por adição porque as moléculas de etileno são adicionadas umas às outras.

12 Polimerização por condensação
Polímeros Polimerização por condensação Polimerização por condensação: as moléculas ligam-se por meio da eliminação de uma molécula pequena (por exemplo, a água): Exemplo de polimerização por condensação: a formação do náilon. As propriedades físicas dos polímeros podem ser previstas através do entendimento da estrutura dos polímeros.

13 Polímeros Tipos de polímeros
Plástico: materiais que podem ser moldados. Termoplástico: materiais que podem ser moldados mais de uma vez. Termocurado: materiais que podem ser moldados apenas uma vez. Elastômero: material que é de alguma forma elástico. Se uma quantidade moderada de força deformante é adicionada, o elastômero retornará à sua forma original. Útil para fibras.

14 Estruturas e propriedades físicas dos polímeros
Cadeias de polímeros tendem a ser flexíveis e facilmente entrelaçadas ou cruzadas. Grau de cristalinidade é a quantificação da ordenação em um polímero. O estiramento ou o encolhimento de um polímero pode aumentar sua cristalinidade.

15 Estruturas e propriedades físicas dos polímeros
O grau de cristalinidade também é determinado pela massa molecular média: polietileno de baixa densidade (LDPE) tem uma massa molecular média de 104 u (utilizado em pacotes plásticos); polietileno de alta densidade (HDPE) tem uma massa molecular média de 106 u (utilizado em garrafas plásticas para leite).

16 Estruturas e propriedades físicas dos polímeros

17 Polímeros de ligação cruzada
As ligações formadas entre as cadeias de polímeros fazem com que o polímero fique mais firme. A borracha natural é macia demais e quimicamente reativa para produzir um material útil. Através da vulcanização da borracha (formação de ligações cruzadas entre as cadeias de polímeros) produz-se materiais úteis. A borracha normalmente tem ligações cruzadas com o enxofre. A borracha com ligações cruzadas é mais firme, mais elástica e menos suscetível à reação química.

18 Polímeros de ligação cruzada

19 Polímeros de ligação cruzada

20 Características dos biomateriais
Biomaterias Características dos biomateriais Os biomateriais são quaisquer materiais que têm aplicações biomédicas. Por exemplo, os materiais utilizados para obturar dentes. Os biomateriais devem ser biocompatíveis: O sistema imunológico do corpo não deve atacar o biomaterial.

21 Biomaterias

22 Características dos biomateriais
Biomaterias Características dos biomateriais Exigências físicas: Os biomateriais devem ser criados para um ambiente específico. As válvulas artificiais de coração devem abrir e fechar de 70 a 80 vezes por minuto. Exigências químicas: Os biomateriais devem ser de grau médico. Os polímeros são biomateriais muito importantes.

23 Biomateriais poliméricos
Biomaterias Biomateriais poliméricos O grau em que o corpo tolera materiais estranhos depende da natureza dos grupos atômicos no material. Biomateriais naturais são os polímeros de açúcares e nucleotídeos. Esses polímeros são poliaminoácidos.

24 Exemplos de aplicações dos biomateriais
Biomaterias Exemplos de aplicações dos biomateriais Substituição e reparos de coração: Um coração que pára completamente deve ser substituído pelo órgão de um doador. Cerca de pessoas nos Estados Unidos sofrem de parada cardíaca e há apenas corações de doadores disponíveis. São realizadas cerca de substituições de válvulas de coração a cada ano. Perto de 45% dessas substituições de válvulas ocorrem com uma válvula mecânica.

25 Exemplos de aplicações dos biomateriais
Biomaterias Exemplos de aplicações dos biomateriais A válvula de substituição deve ser lisa para evitar a destruição de vasos sangüíneos. A válvula também deve ser presa à parte interna do coração. O tereftalato de polietileno, denominado Dacron™, é frequentemente utilizado na fabricação de válvulas artificiais de coração. O Dacron™ é utilizado porque o tecido crescerá através de uma malha de poliuretano.

26 Exemplos de aplicações dos biomateriais
Biomaterias Exemplos de aplicações dos biomateriais Implantes vasculares: Um enxerto vascular é a substituição de um pedaço de um vaso sangüíneo. O Dacron™ é utilizado para artérias de diâmetro grande. O politetrafluoroetileno, Teflon™ ,-[-(CF2CF2)n-]- é utilizado para implantes vasculares menores.

27 Exemplos de aplicações dos biomateriais
Biomaterias Exemplos de aplicações dos biomateriais Tecido artificial: A pele artificial, que cresce em laboratório, é utilizada para o tratamento de pacientes com extensa perda de pele. O desafio do desenvolvimento da pele artificial é fazer com que as células se alinhem adequadamente. Portanto, deve-se utilizar um esqueleto para as células. O esqueleto mais bem sucedido é o copolímero ácido lático - ácido glicólico.

28 Exemplos de aplicações dos biomateriais
Biomaterias Exemplos de aplicações dos biomateriais Substituições de bacia: Cerca de substituições totais de bacia são efetuadas a cada ano. Uma bola metálica, feita com uma liga de cobalto e cromo, é normalmente utilizada nas substituições de bacias. Esta liga é fixada a uma liga de titânio e cimentada com a utilização de um polímero termocurado resistente. O acetábulo, que acomoda o fêmur, é revestido com uma camada de polietileno.

29 Cerâmicas As cerâmicas são
inorgânicas, não-metálicas, sólidas, cristalinas, amorfas (por exemplo, o vidro) rígidas, quebradiças, estáveis a altas temperaturas, menos densas do que os metais, mais elásticas do que os metais e de ponto de fusão muito alto. As cerâmicas podem ser uma rede covalente e/ou estarem ligadas ionicamente. Exemplos típicos: alumina (Al2O3), carbeto de silício (SiC), zircônia (ZrO2) e berila (BeO).

30 Cerâmicas

31 Processamento de cerâmicas
Defeitos pequenos desenvolvidos durante o processamento tornam a cerâmica mais fraca. Sinterização: é o aquecimento de partículas uniformes muito puras (cerca de 10-6 m em diâmetro) sob pressão para forçar a ligação das partículas. Processo sol-gel: é a formação de partículas uniformes puras. Forma-se alcalóide metálico (por exemplo, o Ti(OCH2CH3)4). O sol é formado através da reação do alcalóide com água (para formar Ti(OH)4).

32 Processamento de cerâmicas
Ti(s) + 4CH3CH2OH(l)  Ti(OCH2CH3)4 + H2(g) Ti(OCH2CH3)4 + H2O(l)  Ti(OH)4 + 4CH3CH2OH(l) O gel é formado pela condensação do sol e a eliminação de água. O gel é aquecido para a remoção de água e é convertido em pó de óxido finamente dividido. O pó de óxido tem tamanhos de partículas entre 0,003 e 0,1 m de diâmetro.

33 Cerâmicas Compósitos cerâmicos
Compósitos: dois ou mais materiais produzindo a cerâmica. Resultado: cerâmica mais resistente. Método mais efetivo: adição de fibras ao material cerâmico. Exemplo: fibras de SiC adicionadas ao vidro de aluminosilicato. A fibra deve ter um comprimento  100 vezes o seu diâmetro.

34 Aplicações das cerâmicas
Usadas na indústria de instrumentos cortantes. Usadas na indústria eletrônica (circuitos semicondutores integrados normalmente fabricados de alumina). Usadas em materiais piezoelétricos (geração de um potencial elétrico após estresse mecânico) usados em relógios e geradores ultrasônicos. Usadas no revestimento externo dos ônibus espaciais.

35 Supercondutividade Os supercondutores não mostram resistência ao fluxo de uma corrente elétrica. O comportamento de supercondução inicia-se abaixo da temperatura de transição da supercondução, Tc. O efeito de Meissner: ímãs permanentes levitam sobre os supercondutores. O supercondutor exclui todas as linhas do campo magnético para que o magneto flutue no espaço.

36 Óxidos cerâmicos supercondutores
Cerâmicas Óxidos cerâmicos supercondutores

37 Cerâmicas

38 Filmes finos Os filmes finos geralmente têm uma espessura entre 0,1 m e 300 m. Filmes finos úteis devem ser quimicamente estáveis, aderir bem à superfície, ser uniformes, ser puros, ter baixa densidade de imperfeições.

39 Filmes finos Usos de filmes finos
Microeletrônica (condutores, resistores e condensadores). Revestimentos ópticos (para reduzir a reflexão de uma lente). Revestimentos de proteção para metais. Aumento de resistência de ferramentas. Redução de arranhões em vidros.

40 Fabricação de filmes finos
Deposição a vácuo Filme fino a ser vaporizado sem a quebra de ligações químicas. O material é colocado em uma câmara e os objetos a serem revestidos em outra. A pressão é reduzida (baixa pressão significa baixo ponto de sublimação) enquanto o material é aquecido. O material vaporiza e condensa no objeto a ser revestido. Para garantir um revestimento regular, os objetos são freqüentemente girados. Exemplos: MgF2, Al2O3, e SiO2.

41 Fabricação de filmes finos
Projeção por alta tensão ou ‘sputtering’ O material usado no filme fino é removido do alvo utilizando-se uma alta voltagem. Os átomos se movem através de um gás ionizado em uma câmara e são depositados no substrato. O alvo é o eletrodo negativo e o substrato é o eletrodo positivo. Os átomos de Ar (dentro da câmara) são ionizados em Ar+. Os íons de Ar+ atingem o eletrodo negativo e fazem com que um átomo M seja expelido. Os átomos M têm uma energia cinética alta e viajam em todos os sentidos. Alguns átomos M atingem o substrato e, conseqüentemente, são revestidos.

42 Filmes finos

43 Fabricação de filmes finos
Decomposição de vapor químico A superfície é revestida com um composto volátil a uma temperatura alta (abaixo do ponto de fusão da superfície). Sobre a superfície, o composto sofre uma reação química para formar um revestimento estável. Exemplos: TiBr4(g) + 2H2(g)  Ti(s) + 4HBr(g) SiCl4(g) + 2H2(g)  Si(s) + 4HCl(g) SiCl4(g) + 2H2(g) + 2CO2(g)  SiO2(s) + 4HCl(g) + 2CO(g) 3SiH4(g) + 4NH3(g)  Si3N4(s) + 12H2(g)

44 Fim do Capítulo 12 Materiais modernos