Capítulo 12 Materiais Modernos

1. Capítulo 12 Materiais Modernos Danillo Lopes Nunes Lucas Corrêa Lemes

2. Introdução • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

3. Cristais Líquidos • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

4. Cristais Líquidos Tipos de fases líquido-cristalinas • 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: Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

5. Cristais Líquidos • Fase líquida cristalina nemática: • Moléculas apresentam alinhamento ao longo de seus eixos, mas de forma desordenada Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

6. Cristais Líquidos • Fase líquida cristalina esmética: • Moléculas apresentam alinhamento no eixo, além de apresentar alinhamento das pontas. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

7. Cristais Líquidos • Fase cristalina colestérica: • Moléculas dispostas em camadas, sendo que em cada uma delas aparece uma angulação diferente do eixo longo Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

9. Polímeros • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

10. Polímeros • Condensação – síntese de duas moléculas com eliminação de moléculas menores. Dois monômeros diferentes formam um copolímero. Ex.: náilon, poliuterano. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

13. Processo de obtenção de um polímero

14. 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) Tipos de polímeros Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

15. Polímeros • 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 Estruturas e propriedades físicas Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

16. 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

17. Biomateriais • Biomaterial é aquele que tem aplicação biomédica, seja terapêutica, como em tratamentos, ou de uso diagnóstico. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

18. Biomateriais 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 superá-las. • Exigências químicas – o material não pode apresentar traços de contaminantes como monômeros não reagidos ou catalisadores. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

19. Biomateriais • 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 Biomateriais poliméricos Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

20. Bandagem com células epiteliais Aorta real e sintética Pele artificial de quitina

21. Cerâmicas • Materiais inorgânicos sólidos não-metálicos. Podem ser divididas em cristalinas ou não-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

22. Cerâmicas • Não-cristalinas: possuem ligações covalentes, iônicas ou ambas. São substâncias duras, quebradiças e estáveis a altas temperaturas. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

23. Cerâmicas • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

24. Cerâmicas Processamento de Cerâmicas • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

25. 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)

26. Cerâmicas Compósitos cerâmicos • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

27. Cerâmicas Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas Carbeto de silício

28. Cerâmicas 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 Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

29. Supercondutividade • Característica mostrada por substâncias quando resfriadas abaixo de uma temperatura específica, chamada temperatura de transição da supercondutividade, Tc. • Alguns valores de Tc: Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

30. Supercondutividade • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

31. Supercondutividade Novos supercondutores • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

32. Filmes Finos • 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 Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

33. Filmes Finos Usos de filmes finos • Microeletrônica em condutores, resistores e capacitores; • Usados como revestimentos ópticos; • Superfícies metálicas de ferramentas; • Aplicados a vidros para reduzir arranhões e desgaste. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

35. Filmes Finos Fabricação de filmes finos • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

36. Filmes Finos

37. Filmes Finos • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas Ex.: TiBr4(g) + 2 H2(g) → Ti(s) + 4 HBr(g)

38. Tendências futuras • 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. Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas

40. Referências Bibliográficas • http://pslc.ws/macrog/lab/lab01.htm • http://www.uni-regensburg.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 • Busca de imagens do google • Quimica: A Ciência Central – Brown, LeMay, Bursten – 9ª edição Materiais Modernos 1. Introdução 2. Cristais Líquidos 3. Polímeros 4. Biomateriais 5. Cerâmicas 6. Supercondutividade 7. Filmes Finos 8. Tendências Futuras 9. Referências Bibliográficas