Capítulo 12 Materiais Modernos Danillo Lopes Nunes Lucas 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Cristais Líquidos Tipos de fases líquido-cristalinas Materiais Modernos 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: 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Cristais Líquidos Fase líquida cristalina nemática: Moléculas apresentam alinhamento ao longo de seus eixos, mas de forma desordenada Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Cristais Líquidos Fase líquida cristalina esmética: Materiais Moléculas apresentam alinhamento no eixo, além de apresentar alinhamento das pontas. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Cristais Líquidos Fase cristalina colestérica: Materiais Moléculas dispostas em camadas, sendo que em cada uma delas aparece uma angulação diferente do eixo longo Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Polímeros Condensação – síntese de duas moléculas com eliminação de moléculas menores. Dois monômeros diferentes formam um copolímero. Ex.: náilon, poliuterano. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Processo de obtenção de um polímero

Polímeros Tipos de polímeros Materiais Modernos Termoplásticos – facilmente modelados Termorrígidos ou termocurados – modelado por processos químicos, portanto, difícil de remodelar Elastômero – comportamento de borracha e elástico (retorna ao estado original) 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Polímeros Estruturas e propriedades físicas Materiais Modernos 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 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Polímeros Polímeros de ligação cruzada A reticulação é a formação de ligações entre cadeias. No polímero, a reticulação deixa sua estrutura mais firme. Ex.: plásticos termocurados, vulcanização

Biomateriais Biomaterial é aquele que tem aplicação biomédica, seja terapêutica, como em tratamentos, ou de uso diagnóstico. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Biomateriais Características dos biomateriais Materiais Modernos 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. 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Biomateriais Biomateriais poliméricos Materiais Modernos 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, catéteres termoplásticos – membranas, artérias termorrígidos – odontologia, ortopedia 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Bandagem com células epiteliais Aorta real e sintética Pele artificial de quitina

Cerâmicas Materiais inorgânicos sólidos não-metálicos. Podem ser divididas em cristalinas ou não-cristalinas. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Cerâmicas Não-cristalinas: possuem ligações covalentes, iônicas ou ambas. São substâncias duras, quebradiças e estáveis a altas temperaturas. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Cerâmicas Processamento de Cerâmicas Materiais Modernos 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. 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Cerâmicas Ti(s) + 4 CH3CH2OH(l) → Ti(OCH2CH3)4 (s) + 2 H2 (g) Exemplo Ti(s) + 4 CH3CH2OH(l) → Ti(OCH2CH3)4 (s) + 2 H2 (g) Ti(OCH2CH3)4 (aq) + 4 H2O → Ti(OH)4 (s) + 4 CH3CH2OH(l) (OH)3Ti – O – H(s) + H – O – Ti(OH)3(s) → (HO)3Ti – O – Ti(OH)3(s) + H2O(l)

Cerâmicas Compósitos cerâmicos Materiais Modernos 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. 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Cerâmicas Materiais Modernos Carbeto de silício 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas Carbeto de silício

Cerâmicas Aplicações da cerâmica Materiais Modernos Indústrias de ferramentas de corte Indústrias eletrônicas Fabricação de ladrilhos cerâmicos para ônibus espaciais No dia-a-dia em geral, nas mais variadas formas 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Supercondutividade Substância Data Tc (K) Hg 1911 4,0 Nb3SN 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 125,0 HgBa2Ca2Cu3O8+x 1993 133,0 Cs3C60 1995 40 MgB2 2001 39 Característica mostrada por substâncias quando resfriadas abaixo de uma temperatura específica, chamada temperatura de transição da supercondutividade, Tc. Alguns valores de Tc: Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Supercondutividade Novos supercondutores Materiais Modernos 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. 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

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 Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Filmes Finos Usos de filmes finos Materiais Modernos Microeletrônica em condutores, resistores e capacitores; Usados como revestimentos ópticos; Superfícies metálicas de ferramentas; Aplicados a vidros para reduzir arranhões e desgaste. 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Filmes Finos Fabricação de filmes finos Materiais Modernos 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. 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

Filmes Finos

Filmes Finos Ex.: TiBr4(g) + 2 H2(g) → Ti(s) + 4 HBr(g) 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas Ex.: TiBr4(g) + 2 H2(g) → Ti(s) + 4 HBr(g)

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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

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 Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas