Capítulo 12
Materiais Modernos
Danillo Lopes Nunes
Lucas Corrêa Lemes
Introdução
Materiais
Modernos
1. Introdução
2. Cristais Líquidos
3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
•
•
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.
Cristais Líquidos
Materiais
Modernos
1. Introdução
2. Cristais Líquidos
3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
•
•
•
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.
Cristais Líquidos
Tipos de fases líquido-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
•
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:
Cristais Líquidos
•
Materiais
Modernos
1. Introdução
2. Cristais Líquidos
3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
Fase líquida cristalina nemática:
– Moléculas apresentam alinhamento ao longo de seus
eixos, mas de forma desordenada
Cristais Líquidos
Materiais
Modernos
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3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
Fase líquida cristalina esmética:
– Moléculas apresentam alinhamento no eixo, além de
apresentar alinhamento das pontas.
Cristais Líquidos
Materiais
Modernos
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3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
Fase cristalina colestérica:
– Moléculas dispostas em camadas, sendo que em cada
uma delas aparece uma angulação diferente do eixo
longo
Polímeros
Materiais
Modernos
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3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
•
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.
Polímeros
Materiais
Modernos
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3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
– Condensação – síntese de duas moléculas com
eliminação de moléculas menores. Dois monômeros
diferentes formam um copolímero. Ex.: náilon,
poliuterano.
Processo de obtenção
de um polímero
Polímeros
Materiais
Modernos
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3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
Tipos de polímeros
•
•
Termoplásticos – facilmente modelados
Termorrígidos ou termocurados – modelado por processos
químicos, portanto, difícil de remodelar
Elastômero – comportamento de borracha e elástico
(retorna ao estado original)
Polímeros
Materiais
Modernos
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4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
Estruturas e propriedades físicas
•
•
•
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
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
Materiais
Modernos
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4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
• Biomaterial é aquele que tem
aplicação biomédica, seja terapêutica,
como em tratamentos, ou de uso
diagnóstico.
Biomateriais
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Modernos
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4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
Características dos biomateriais
•
•
•
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 superálas.
Exigências químicas – o material não pode apresentar
traços de contaminantes como monômeros não reagidos ou
catalisadores.
Biomateriais
Materiais
Modernos
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4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
Biomateriais poliméricos
•
•
•
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
Bandagem com células
epiteliais
Aorta real e sintética
Pele artificial de quitina
Cerâmicas
Materiais
Modernos
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3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
Materiais inorgânicos sólidos não-metálicos. Podem ser
divididas em cristalinas ou não-cristalinas.
Cerâmicas
Materiais
Modernos
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3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
Não-cristalinas: possuem ligações covalentes, iônicas ou
ambas. São substâncias duras, quebradiças e estáveis a
altas temperaturas.
Cerâmicas
•
Materiais
Modernos
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2. Cristais Líquidos
3. Polímeros
4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
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.
Cerâmicas
Processamento de Cerâmicas
Materiais
Modernos
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4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
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.
Cerâmicas
•
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
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5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
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.
Cerâmicas
Materiais
Modernos
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5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
Carbeto de silício
Cerâmicas
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4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
Aplicações da cerâmica
•
•
•
•
Indústrias de ferramentas de corte
Indústrias eletrônicas
Fabricação de ladrilhos cerâmicos para ônibus espaciais
No dia-a-dia em geral, nas mais variadas formas
Supercondutividade
Materiais
Modernos
•
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4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
Característica mostrada
por substâncias quando
resfriadas abaixo de uma
temperatura específica,
chamada temperatura de
transição da
supercondutividade, Tc.
Alguns valores de Tc:
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
1988 125,0
HgBa2Ca2Cu3O8+x
1993 133,0
Cs3C60
1995 40
MgB2
2001 39
Supercondutividade
Materiais
Modernos
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6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
•
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.
Supercondutividade
Novos supercondutores
Materiais
Modernos
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6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
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.
Filmes Finos
•
Materiais
Modernos
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4. Biomateriais
5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
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
Filmes Finos
Usos de filmes finos
Materiais
Modernos
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9. Referências
Bibliográficas
•
•
•
•
Microeletrônica em condutores, resistores e capacitores;
Usados como revestimentos ópticos;
Superfícies metálicas de ferramentas;
Aplicados a vidros para reduzir arranhões e desgaste.
Filmes Finos
Fabricação de filmes finos
Materiais
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8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
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.
Filmes Finos
Filmes Finos
Materiais
Modernos
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5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
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.
Ex.: TiBr4(g) + 2 H2(g) → Ti(s) + 4 HBr(g)
Tendências futuras
Materiais
Modernos
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4. Biomateriais
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6. Supercondutividade
7. Filmes Finos
8. Tendências Futuras
9. Referências
Bibliográficas
•
•
•
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.
Referências Bibliográficas
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5. Cerâmicas
6. Supercondutividade
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9. Referências
Bibliográficas
•
•
•
•
•
•
http://pslc.ws/macrog/lab/lab01.htm
http://www.uniregensburg.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
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Quimica: A Ciência Central – Brown, LeMay, Bursten – 9ª
edição