Capítulo 12

Materiais Modernos

Denis Matoszko FortesCristiano 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.

• 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)

Engrenagem de náilon (poliamida)

Capa de silicone

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 altacristalinidade:

maior densidademenor 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

Válvula cardíacaPele artificial

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.

• 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.

MgB2 sólido Equipamento para processar o MgB2

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