Baixe Da pedra lascada aos nanomateriais e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity!
Da Pedra Lascada aos Nanomateriais
Por que não podemos escrever os 24 volumes inteiros da Enciclopédia Britânica na cabeça de um alfinete?
Richard P. Feynman Transcrição de uma conferência dada pelo físico norte-americano Richard Feynman, ganhador do Nobel de Física em 1985, que anteviu a nanociência em 1959 no encontro da Sociedade Americana de Física.
Introdução
Os primeiros estudos e registros dos costumes das antigas tribos humanas já apontavam a relação de nossa espécie com os materiais, tanto é que vários períodos do progresso humano recebem os nomes de "Idade da Pedra", "Idade do Bronze", "Idade do Ferro" e assim por diante. Nosso ancestral, o homem de Neandertal^1 , nunca imaginou que ao lascar e polir pedaços de pedra, para criar instrumentos que lhe facilitavam a caça e os trabalhos do dia a dia, estaria alicerçando o primeiro passo de tantas outras gerações que, após a pedra lascada, descobriram materiais que facilitariam a vida do homem moderno.
Com a curiosidade e muitas vezes por acidente o homem foi descobrindo novos materiais, como, por exemplo, a argila, que permitiu a criação de recipientes para armazenar alimentos e facilitar o transporte de objetos, que foi o primeiro impulso para o desenvolvimento das cerâmicas. Milênios depois nossos antepassados descobriram os materiais metálicos, como o ferro, bronze, ouro e prata, que foram, e são até hoje, a base de desenvolvimento de centenas de aplicações que utilizamos em nossa vida. Aproximadamente no ano 5.000 AC, teve-se notícia dos primeiros utensílios a partir de metais e ligas, como o arado, a carroça e as embarcações a vela, que são o início de grandes descobertas. No princípio da era cristã o homem já conhecia sete metais: cobre, prata, chumbo, estanho, ferro, mercúrio e ouro, mas as informações sobre os mesmos e suas possibilidades de aplicação ainda eram muito restritas, pois todos estudos eram essencialmente fruto de muita boa vontade dos alquimistas da época, sendo totalmente empíricos.
Com o avanço do conhecimento e da ciência, os cientistas intensificaram seus estudos e visões sobre os materiais, descobrindo sua natureza utilizando-se de microscópios. Isso possibilitou a identificação de novas propriedades dos materiais, suas limitações e como manipulá-los de maneira a produzir novas variabilidades de aplicações. Foi um grande salto para o homem que então iniciou pesquisas mais profundas e, desta forma, dominou os materiais, suas estruturas, seus arranjos de átomos e como conseqüência seus processos de fabricação e transformação.
O conjunto destes conhecimentos originou a chamada Ciência dos Materiais e em seu desdobramento a Engenharia de Materiais.
(^1) O que Neandertal ocupou a Europa e o Oriente Médio há aproximadamente 200 mil anos. Entre os
principais instrumentos, utilizavam raspadeiras para confeccionar vestimentas, e machadinhas, facas, lanças e laminas, para caça, cirurgia e outras utilidades.
Seja em nossa casa, nosso carro, em nosso aparelho de TV, nos computadores, nas próteses cirúrgicas ou até mesmo em nossas roupas, existem milhares de variedades de materiais presentes em nosso cotidiano. A crescente sofisticação da demanda tornará ainda mais desafiadora a vida dos engenheiros de materiais, que quando associados a equipes de químicos, físicos e biólogos poderão desenvolver um número enorme de novas tecnologias que implicarão diretamente em nossa vida e na geração das empresas do futuro.
Evolução Histórica
Argilas
Idade do Cobre, Bronze e Ferro
Avanço do Conhecimento
Ciência dos Materiais
Engenharia de Materiais
Homem Primitivo Materiais Naturais
Construção Instituto Inovação Figura 1
Mas afinal, que ciência é essa?
Material é definido como qualquer substância que pode ser usada em aplicações práticas. O termo Novos Materiais surgiu a partir dos anos 70 tendo como objeto os materiais recém-descobertos ou desenvolvidos. Englobava também aqueles já conhecidos que evoluíram tecnologicamente na fabricação e no uso de suas funções. A Ciência dos Materiais foi a conseqüência direta do domínio das condições otimizadas de controle dos processos de fabricação desenvolvidos ao longo dos anos e do desenvolvimento de equipamentos hoje disponíveis ao uso por parte de engenheiros e pesquisadores.
Para facilitar e tornar mais didático esse estudo, dividimos os materiais em cinco grandes grupos ou classes como são mais comumente chamados na literatura.
consumidos por estes veículos de transporte devido o peso e ao alto coeficiente de atrito presente nas peças dos motores. No fim dos anos 70, as indústrias automobilísticas e de aviação iniciaram maciços investimentos no uso de novos materiais para reduzir o peso de seus produtos, a conseqüência disto foi o aumento significativo do uso de plásticos nesses meios de transporte. Outro material pesquisado foi o alumínio, que é um material mais leve que o aço. Somente na indústria automobilística seu uso dobrou entre 1991 e 1999, sendo previsto que dobre novamente até 2005^2. Mas para isso, novas tecnologias devem ser desenvolvidas, pois este material possui pouca soldabilidade e estampabilidade, características fundamentais para o uso nestas indústrias. Logo novas oportunidades surgem para empresas que pesquisam e desenvolvem soluções para o Alumínio de forma a ampliar o uso deste material em meios de transporte. São enormes as oportunidades no desenvolvendo de novos projetos de estrutura de carrocerias para alcançar os requisitos desejados de rigidez e segurança, assim como o desenvolvimento de motores que apresentem menores coeficientes de atrito.
Outra oportunidade está no desenvolvimento de novos materiais de alta resistência aliado a baixo peso, que simultaneamente resistam a temperaturas de trabalho mais elevadas. Esses produtos podem ser utilizados em motores e turbinas, visando aumentar a eficiência térmica do sistema para reduzir o consumo de combustível. Daí tem-se um desdobramento enorme dos materiais compósitos que utilizam carbono, entre eles as fibras de carbono que é um material amplamente estudado e que tem sido alvo de grandes investimentos por parte de empresas, especialmente devido a sua vasta gama de aplicações.
Polímeros Condutores
O histórico sobre o desenvolvimento da tecnologia de polímeros mostra que uma das propriedades mais importantes destes materiais é a capacidade de comportarem-se como excelentes isolantes elétricos e apresentarem boa maleabilidade. Entretanto, uma nova área de polímeros orgânicos tem sido desenvolvida, cuja importância está relacionada à condução de eletricidade. Trata-se dos chamados polímeros condutores, que foram divididos em duas classes, os polímeros conjugados semicondutores eletrônicos e os condutores iônicos.
A descoberta dos Polímeros condutores rendeu à equipe de cientistas, Dr. Alan G. MacDiarmid do Departamento de Química da UPENN dos EUA, Dr. Hideki Shirakawa do Instituto de Ciência de Materiais da Universidade de Tsukuba, do Japão e Dr. Alan J. Heeger do Departamento de Física da Universidade da California em Santa Bárbara nos EUA, o prêmio Nobel de Química de 2000 outorgado pela Academia Real de Ciências da Suécia^3. Esse fato comprova a importância dos Novos Materiais para o desenvolvimento da sociedade humana.
O grande trunfo destes materiais é possuir propriedades óticas, magnética, elétrica e eletrônica como as de um metal, e, ao mesmo tempo, possuir as propriedades mecânicas, de processabilidade comum aos polímeros. As características deste novo material incentivaram um enorme desdobramento de pesquisas e realizações de investimentos nesta área.
(^2) ABMM – Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais. http://www.abmbrasil.com.br/ (^3) Nobelprize.org: http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2000/index.html
Algumas de suas aplicações, em desenvolvimento, são sensores a base de plástico e papel, polímeros que emitem luz, sensores, baterias, transistores para identificadores por radio-freqüência, memórias plásticas que possam armazenar dados, mesmo quando a energia do dispositivo está desligada, e os polímeros condutores que permitem a criação de dispositivos descartáveis e de baixo custo.
Outras aplicações serão possíveis no longo prazo. Estão em estudos o uso dos polímeros condutores como eletrodos fotoativos em células fotoeletroquímicas e o uso em músculos artificiais para aplicações em robótica. Muitos analistas indicam que os polímeros capazes de emitir luz terão um enorme mercado.
O Brasil já possui vários grupos trabalhando com polímeros condutores. Destaca-se as pesquisas da Unicamp, USP, UFSC, UFScar, UFPE, UFPR e UFAL^4. A EMBRAPA já está trabalhando em cooperação com o Professor MacDiarmid, citado acima, para o desenvolvimento de instrumentação agropecuária utilizando-se de polímeros condutores^5.
Biomateriais
Os biomateriais são utilizados na reconstrução e regeneração óssea em geral, incluindo os tratamentos odontológicos. Os biomateriais são substâncias de origem natural ou sintética e são inertes do ponto de vista biológico, não causando nenhum efeito nocivo ao organismo. Essa propriedade, a biocompatibilidade, abre possibilidade para a utilização desses materiais na substituição total ou parcial de sistemas biológicos. Uma grande vantagem do ponto de vista tecnológico é que praticamente grande parte das classes de materiais podem ser utilizadas como biomateriais, assim podemos ter biomateriais metálicos, cerâmicos, orgânicos, entre outros. Os benefícios do uso dos biomateriais são inúmeros, como na reparação de partes do corpo humano ou no auxilio da recuperação de tecidos lesionados.
Metais, cerâmicas, polímeros e compósitos são comumente utilizados na cirurgia reconstitutiva de ossos, como, por exemplo, das regiões craniana e maxilo-facial. A utilização de implantes e enxertos tem aumentado significativamente nos últimos anos, principalmente devido ao aumento da vida média da população e ao índice elevado de acidentes automobilísticos.
O mercado nacional de implantes ortopédicos está estimado em US$ 64 milhões anuais. Na ortopedia, a artroplastia coxo-femural 6 aparece como a mais freqüente das aplicações, embora articulações de joelho, cirurgias cardiovasculares (marca-passo, válvulas e vasos artificiais), lentes para a oftalmologia e cirurgia plástica sejam também aplicações freqüentes para os biomateriais.
A tecnologia dos biomateriais tende a ser o novo padrão de materiais para implantes e recuperações ósseas evidenciando que qualquer equipe médica que atue nesta área tenha conhecimentos e possa indicar aos seus pacientes as soluções apresentadas pelos Biomateriais.
(^4) Instituto Inovação. Mapeamento dos Centros de Inovação no Brasil , Junho de 2004. (^5) Banco de Notícias da Embrapa. (^6) Idealizada por ortopedistas para restabelecer a função da articulação coxo-femural, consiste na troca da
articulação do quadril.
Materiais Inteligentes
Segundo estudos do INSTITUTO BATTELLE^7 os materiais inteligentes, estruturas capazes de se modificar em reação as mudanças no ambiente, estarão entre os dez produtos mais inovadores até 2006. As modificações são percebidas por meio de sensores, processadas por unidades de comandos que geram ações por meio de atuadores adequados. Os Materiais Inteligentes percebem e corrigem, ao mesmo tempo, uma determinada anomalia como um ruído, uma variação de temperatura ou vibração.
Estes materiais tem sido introduzidos em diversas aplicações como motores de automóveis, equipamentos eletrônicos, aviões, aparelhos de CD. Muitas pesquisas também estão sendo realizadas para utilizar-se dos materiais inteligentes na área médico-odontológica, para localização de tumores, correção de problemas de coluna, aparelhos ortodônticos e placas para prótese ortopédica.
Os pesquisadores têm trabalhado para que no futuro próximo materiais inteligentes sejam utilizados na construção civil para garantir total segurança nas estruturas como, por exemplo, nas pontes e em prédios, onde esses materiais mudarão de cor para que se detecte peso excessivo ou condições que desfavoreçam a segurança, antes que qualquer acidente aconteça. Nas peças dos automóveis esse mesmo sistema também poderá ser utilizado para caracterizar o desgaste da peça e alertar para sua reposição.
Uma das tecnologias já disponível no mercado é o vidro fotocromático. Ele permite um ajuste na transparência do mesmo de acordo com a intensidade da luz, escurecendo em ambientes claros e vice-versa. O último modelo da BMW, o xActivity, um utilitário esportivo, possui várias inovações incorporadas através dos materiais inteligentes, como a pintura especial que parece bronze, azul-cinzento ou verde de acordo com a incidência de luz e os bancos de "materiais inteligentes", sem regulagens, que permitem o ajuste da sua forma à do corpo automaticamente, através da pressão exercida sobre o material. Além do mundo automobilístico os materiais inteligentes encontraram vez no mundo dos esportes. A empresa Head lançou uma raquete de tênis que utiliza materiais inteligentes onde a energia do impacto da bola é utilizada para aumentar a sua performance.No Japão, muitos pesquisadores, em empresas e universidades, estão trabalhando em projetos que incluem o uso de materiais inteligentes na construção de edifícios que possam responder aos movimentos sísmicos.
As possibilidades de aplicação, assim como os mercados dos materiais inteligentes são diversos. Possivelmente serão constituídas empresas focadas em desenvolvimento de materiais inteligentes, para as múltiplas possibilidades de aplicação.
Materiais Magnéticos
Os materiais magnéticos estão inseridos nas indústrias de gravação magnética de dados. Esse mercado cresce a taxa de 17% ao ano com volume de receitas estimado em torno de US$ 100 bilhões/ano no mundo. No setor eletro-eletrônico os materiais magnéticos só são suplantados em volume de aplicações pelos semicondutores. Contudo, essas duas classes de materiais possuem importância econômica equivalente.
(^7) www.battelle.com
O faturamento da indústria brasileira de materiais magnéticos é de cerca de R$ 100 milhões anuais. Estes materiais são utilizados nos motores elétricos, balanças eletrônicas, sensores e componentes sofisticados da indústria de computadores e telecomunicações.
As oportunidades neste segmento de materiais advém da necessidade de novas tecnologias que melhorem o desempenho destes materiais, pois os fabricantes de eletrodomésticos querem motores com menor consumo energético e as empresas de instrumentação exigem ímãs mais sofisticados.
Células Solares
Os cientistas têm investido muito conhecimento e trabalho no desenvolvimento e aperfeiçoamento das células de silício. Nos últimos 10 anos grupos de pesquisas ligados a universidades e empresas de todo o mundo, iniciaram uma corrida tecnológica para gerar células de silício mais baratas e eficientes, que permitam o uso em massa desta tecnologia. As células de silício são dispositivos eletrônicos semicondutores, que utilizam o efeito fotovoltaico 2 para produzir eletricidade, a partir da luz solar são as células mais usadas hoje no mercado. Estas células são comumente chamadas de células solares. Entre as aplicações destas células estão a iluminação em locais remotos, Sistemas de vigilância contra incêndios, sinalização luminosa de estradas em locais remotos, telefones de emergência, estações meteorológicas, ou seja, são aplicações que na maioria das vezes supre o mercado em que a rede de energia convencional não pode atuar.
A grande oportunidade deste mercado são as novas células solares, que substituem ou aperfeiçoam as células de silício. Esse trabalho é fruto do uso de novos processos para sua produção, como no caso a Nanotecnologia. Também novas células solares estão sendo desenvolvidas com outros materiais. Um exemplo são as células solares orgânicas constituídas de pequenas moléculas à base de carbono. O material resultante é ultra-fino e flexível e pode ser colado em praticamente qualquer superfície, como as paredes ou janelas de um edifício. Outras alternativas também estão nos laboratórios do Massachusets Institute of Technology (MIT). Lá, pesquisadores produziram células elétricas a partir de proteínas retiradas de folhas de espinafre como alternativas às células de silício. As proteínas utilizadas no experimento foram retiradas de cloroplastos das células formadoras das folhas de espinafre. Os cloroplastos são pequenas estruturas que ajudam a planta a converter luz em energia. Enquanto a reação ocorre, é formada uma agitação de elétrons, que resulta em corrente elétrica.
Também nos Estados Unidos os pesquisadores da Universidade de Berkeley descobriram uma forma de construir células solares plásticas a baixo custo. Elas são tão flexíveis que podem ser pintadas em qualquer superfície, podendo ser utilizadas para fornecer energia para dispositivos eletrônicos portáteis.
As tendências mundiais de busca de energia alternativa e o apelo ecológico desta tecnologia sugerem que teremos muitas oportunidades nesta área.
Polímeros Biodegradáveis
Um material biodegradável pode ser entendido como um produto industrial ou substância que, quando abandonado, é destruído e decomposto por bactérias ou
Resumo das Oportunidades de Negócios
Biomateriais
Materiais Indústrias / Setores*
Células de Solares
Ligas de Alumínio
Materiais Inteligentes
Materiais Nano Estruturados Polímeros Biodegradáveis Polímeros Condutores
Cerâmicas Especiais
Ligas de Carbono
Materiais Magnéticos
Médico-odontológica.
Aeroespacial; Automobilística; Construção Civil; Energia.
Aeroespacial; Automobilística; Ferroviária.
Aeroespacial; Automobilística; Construção Civil; Eletro-eletrônica; Ferroviária; Médico-odontológica; Robótica.
Aeroespacial; Automobilística; Eletro-eletrônica; Energia; Fármacos; Informática; Médico-odontológica; Derivados de Petróleo. Alimentícia; Agricultura; Biomédica; Embalagens; Química. Aeroespacial; Automobilística; Eletro-eletrônica; Ferroviária; Médica; Robótica.
Aeroespacial; Automobilística; Ferroviária.
Aeroespacial; Automobilística; Ferroviária; Saneamento.
Eletro-eletrônica; Aeroespacial; Automobilística; Energia.
Construção Instituto Inovação Figura 3 * Este tópico contemplou as indústrias / setores que apresentaram maior destaque com relação aos materiais estudados
Considerações finais
Com as informações presentes neste estudo, percebe-se que os Novos Matérias já se configuram como uma grande oportunidade de negócios. Empresas de tecnologia presentes em vários países do mundo já lucram desenvolvendo estes produtos para o mercado. Aos investidores, empresários e empreendedores interessados no tema fica a sugestão de estarem atentos a importância de se pesquisar a fundo as restrições e oportunidades que o mercado de materiais oferece levando–se em conta também os gargalos tecnológicos e os estágios de desenvolvimento das diversas “promessas” de materiais do futuro. Em nossas Universidades, temos hoje muitos grupos de pesquisa já consolidados e com grande capacidade em gerar inovações nesta área. Por se tratar de grupos com grande inclinação à inovação, as possibilidades de parcerias com o meio empresarial e de geração de spin off´s é muito grande.
Neste estudo, alguns materiais mereciam espaço, entretanto não foram apresentados devido a extensão do tema. Entre eles podemos citar os materiais vítreos, as peneiras moleculares e os materiais opto-eletrônicos. A amostra aqui apresentada pode não apenas despertar curiosidade como também gerar o início de um conhecimento nesta área que é tão rica e tão promissora a ser explorada. Lembramos também que os nomes científicos e os termos técnicos, além das especificidades deste tema são muito abrangentes. Logo tivemos que simplificá-los para que qualquer pessoa que não tenha conhecimento da área de engenharia de materiais pudesse compreender e perceber as oportunidades deste segmento.
