Universidade Federal do Paraná
Setor de Tecnologia
Depto de Engenharia Química
Prof. Dr. Mário José Dallavalli
BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICA
TQ-064
Interações atômicas básicas
 Ligações entre átomos
– Iônicas
 Ligações eletrostáticas
– Covalentes
 Compartilhamento de elétrons
– Metálicas
 Fluído eletrônico ou gás
– Hidrogênio
 Interação iônica entre átomos ligados covalentemente
– Van Der Waals
 Pequenas assimetrias na distribuição de cargas do átomos que
criam dipolos
Interações atômicas básicas
 Cristais
– Organização
– Repetição 3 D de moléculas
ou átomos
– Estruturas empacotadas
– Orientação e direções cristalinas
– Sistemas cristalinos
Propriedades dos Materiais





Falha nos materiais
Fratura
Deformação plástica
Tensões e deformações críticas
Fadiga, falha sobre condições cíclicas
Célula de Carga
Carga (103N)
Curva Tensão-Deformação
100
50
0
0
(MPa)
Amostra
Tensão,
Gage
Length
Tração
500
1
2
3
4
5
Elongamento (mm)
Normalização para
eliminar influência da
geometria da amostra
250
0
0
0.02 0.04 0.05 0.08 0.10
Deformação, (mm/mm)
Curva Tensão-Deformação
(cont.)
500
Elástica
(MPa)
Tensão,
Limite de escoamento
Plástica
250
fratura

0
0
0.02
0.04
0.05
0.08
Deformação, Є (mm/mm)
O Módulo de Young, E, (ou módulo
de elasticidade) é dado pela
derivada da curva na região
linear.
0.002 0.004 0.005 0.008 0.010
Deformação, Є (mm/mm)
Como não existe um limite claro entre
as regiões elástica e plástica, definese o Limite de escoamento, como a
tensão que, após liberada, causa uma
pequena deformação residual de 0.2%.
0.10
0
Propriedades Mecânicas dos Metais
• Região elástica (deformação reversível)
• Região plástica (deformação quase toda irreversível)
• 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 resistência (tensile strength) => tensão
máxima na curva  de engenharia.
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.
Propriedades Mecânicas dos Metais
 Tensão
σ = F/A = onde F é a carga e A é a seção reta da amostra
 Deformação
ε = (L-L0)/L0 onde L é o comprimento para uma dada carga e L0 é
o comprimento original
 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
A deformação é reversível.
Ligações atômicas são alongadas mas não se rompem.
Região plástica



σ não é linearmente proporcional a ε.
A deformação é quase toda não reversível.
Ligações atômicas são alongadas e se rompem.
– Outras grandezas
 Tensão de Cisalhamento
σ =G.γ
G = modulo de cisalhamento
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.
 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)
Propriedades da Superfície
 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
Propriedades da Superfície
 Estruturas da Superfície e Características
–Dureza
–Átomos ou moléculas
–Ausência de homogeneidade
–Cristalinas ou desordenadas
–Hidrofobicidade (molheabilidade)
Propriedades da Superfície
 Medidas de superfície
– Ângulo de contato - molheabilidade
– ESCA - Electron Spectroscopy for Chemical
Analysis (XPS)
- Identificação de elementos e estado de
ligações
– Auger Electron Spectroscopy
– SIMS - Secondary Ion Mass Spectrometry
- Identificação de elementos em baixas conc.
– FTIR- Fourier Transform Infra Red
- Orientação estrutural e química
Propriedades da Superfície
 STM- Scanning Tunneling Microscopy
– Microscópio de Tunelamento
 SEM (Scanning Electron Microscopy)
– Microscópio Eletrônico de Varredura
 AFM (Atomic Force Microscopy)
– Microscópio de Força Atômica
Microscópio de Força Atômica distingue
átomos de diferentes elementos
A identidade química de átomos individuais depositados
sobre uma superfície pode ser determinada, graças a um
novo microscópio de força atômica incrivelmente
poderoso

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 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.
Impressão digital atômica
 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.

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.
Fim
Ate a próxima aula