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 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.

Exemplos de polímeros por condensação 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: Polietileno de alta cristalinidade: menor densidade 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.

Equipamento para processar o MgB2 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. Equipamento para processar o MgB2 MgB2 sólido

Filmes Finos Um filme fino é uma camada de certa substância cuja espessura varia entre 0,1 a 300 μm, cobrindo um substrato. 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