cap53 - Nanotecnologia e materiais de construção civil

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Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
GLEIZE, Philippe J.P.
Universidade Federal de Santa 
Catarina
NANOTECNOLOGIA E MATERIAIS DE 
CONSTRUÇÃO
Capítulo 53
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
There's Plenty of Room at the Bottom!
“Porque não seria possível escrever a integralidade da 
enciclopédia Britânica na cabeça de um alfinete. Os 
princípios da física não se opõem à idéia de manipular a 
matéria átomos por átomos”
Richard Feyman, 29 de dezembro de 1959
Introdução: nanotecnologia
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Engenharia dos materiais e das estruturas com tamanho 
variando de 1 a 100 nanômetros (10-9 a 10-7 m)
• Quatro átomos de silício colocados um ao lado do outro
• Diâmetro de um fio de cabelo humano: 30.000 nanômetros
Introdução: nanotecnologia
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Explora as propriedades e os fenômenos que ocorrem na 
nanoescala
• Efeitos quânticos que prevalecem até 10 nm: o óxido de
zinco é branco e opaco, mas na escala nanométrica ele é
transparente
• Efeitos das altíssimas superfícies e interfaces: uma partícula
de 5 nm de diâmetro tem a metade de seus átomos na
superfície
• Aumento das superfícies de contato
• Aumento da reatividade
Introdução: nanotecnologia
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Produção de nanomateriais, nanocomponentes e 
nanosistemas
• Via descendente (em inglês top-down): o material é dividido
(cortado) para atingir as menores dimensões possíveis
• Via ascendente (em inglês bottom-up): os átomos são
ligados um a um para construir as moléculas que são
integradas em sistemas maiores
Introdução: nanotecnologia
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
O controle da matéria na escala nanométrica abre enormes 
perspectivas na possibilidade de criar materiais, 
dispositivos e sistemas com novas funções e propriedades
• Combinando alta durabilidade, resistência e dureza com
ductilidade
• Multifuncionais com desempenho mecânico combinado a
propriedades de isolamento / condutividade térmica, elétrica,
magnética ou óptica
• “Ativos” / “adaptativos” com características programáveis
(auto-reparo, detectores, otimizando o consumo energético,
etc.)
Introdução: nanotecnologia
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Essas características serão alcançadas através de:
• Modificação da estrutura dos materiais na escala
nanométrica
• Elaboração de nanocompósitos ou híbridos
orgânico/inorgânicos, inorgânicos/metálicos pela adição de
nanopartículas, nanofibras e nanosistemas nos materiais
tradicionais resultando em novas ou melhores performances
• Elaboração de revestimentos funcionalizados pela
incorporação de nanopartículas ou nanocamadas em
materiais tradicionais
• Criação de sistemas e sensores monitorando
comportamento e performances dos materiais ou
componentes e capazes de se adaptar frente às mudanças
do ambiente
Introdução: nanotecnologia
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Expectativas em termos de inovações necessárias ao 
desenvolvimento sustentável de nossa sociedade:
• Economia de energia e desenvolvimento de energia
renováveis
• Tratamento de doenças graves
• Desenvolvimento dos meios de comunicação
• Redução das poluições e rejeição de gases ao efeito estufa
• Redução de consumo de matéria-prima não renovável e de
água potável
• Melhoria da qualidade de vida
Introdução: nanotecnologia
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Alguns produtos comerciais fruto da nanotecnologia
• Reforço por nanotubos de carbono (raquetes de tênis, bolas
de golf e algumas peças automóveis)
• Vidro eletrocrômico e autolimpante, tinta antipichação
• Nariz eletrônico capaz de detectar gazes nocivos,
contaminação e poluição
• Embalagem alimentícia, produtos cosméticos e têxteis
• Aços de alto desempenho
• Hiperisolantes térmicos
• Catalisadores alto rendimento, nanocompósitos para a
aeronáutica
• Setor eletrônico: sensores, memórias, telas flexíveis
Introdução: nanotecnologia
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Na indústria da construção, a nanotecnologia tem
potencial para melhorar muitos materiais de construção,
tais como: aços estruturais, polímeros, materiais
cerâmicos e materiais cimentícios.
• O desenvolvimento de materiais nanomodificados poderia,
por exemplo, tornar
• as estruturas mais resistentes, leves e seguras;
• os sistemas de fechamento e vedação mais isolantes,
térmicos e acústicos com várias funcionalidades adicionais,
como captação e armazenamento de energia, auto-reparo,
autolimpeza, proteção contra o fogo,
aquecimento/resfriamento.
Introdução: nanotecnologia
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Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Classificação dos nanomateriais e materiais 
nanomodificados 
• Materiais nanoreforçados ou nanocarregados nos quais os
nano objetos podem ser incorporados na matriz por mistura
ou produzidos in situ, proporcionando reforço e redução de
massa (nanocompósitos), criando novas funções. Os nano
objetos podem também ser usados tais quais
• Materiais nanoestruturados em superfície com propriedades
de superfície previamente estabelecidas e novas
funcionalidades
• Materiais nanoestruturados em volume com modificação da
nanoestrutura, da porosidade, podendo ser produzidos por
automontagem molecular, usando os conceitos da síntese
biomimética
Introdução: nanotecnologia
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• A incorporação de relativamente baixas quantidades de
nanopartículas (ate 5% em massa) em alguns polímeros
permite:
• aumentar módulo de elasticidade, resistência mecânica e
dureza sem afetar a ductilidade do material, possibilitando,
por exemplo, a redução de espessura das peças
• diminuir a permeabilidade a gazes, possibilitando, por
exemplo, maior tempo de conservação de alimentos sob
vácuo, sem alterar as características óticas
• melhorar o comportamento frente a variações de
temperatura (dilatação, deformações, degradação) e em
relação à combustão (retardante de fogo)
Nanocompósitos com matriz polimérica
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
A combinação da melhoria da rigidez e resistência com a 
tenacidade é excepcional e pode tornar esses 
nanocompósitos uma nova família de materiais com 
altíssimo desempenho 
Nanocompósitos com matriz polimérica
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Dispersão de nanofolhas (geralmente aluminosilicatos em 
camadas: filossilicatos, argilominerais e esmectitas) numa 
matriz polimérica (Vaia e Giannelis, 2001)
Nanocompósitos com matriz polimérica e 
cargas inorgânicas lamelares
Figura 1 – Representação da estrutura de silicatos em camada 2:1 (esmectitas) (VIA e GIANNELIS, 2001).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Principais desafios na elaboração desses materiais:
• Esfoliação da carga (separação das folhas individuais)
• Dispersão da carga na matriz
• Domínio das interações carga-polímero
• Esses fatores estão estreitamente ligados não só aos tipos de
polímero e carga, mas sobretudo à compatibilização
carga/polímero e ao processo de síntese. Para aumentar a
compatibilização carga/polímero, é necessário funcionalizar a
superfície dos aluminosilicatos pela substituição dos cátionshidrofílicos alcalinos e alcalino-terrosos intercamada dos
aluminosilicatos por, por exemplo, cátions amônia ou
fosfatatado organofílicos
Nanocompósitos com matriz polimérica e 
cargas inorgânicas lamelares
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Dependendo da natureza dos constituintes e do método de 
preparação, 3 tipos de compósitos podem ser obtidos 
(Alexandre e Dubois, 2000):
Nanocompósitos com matriz polimérica e 
cargas inorgânicas lamelares
Figura 2 – Representação dos três estados morfológicos de um nanocompósito polímero/ silicato em 
camada (a), (b) e (c).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Quadro 1- Algumas características mecânicas do náilon-6 
comparadas com um microcompósito clássico e um 
nanocompósito náilon-6 / montmorilonita (Okada e Usuki, 
1995)
Nanocompósitos com matriz polimérica e 
cargas inorgânicas lamelares
Material % de 
montmorilonita 
Resistência à 
ruptura (MPa) 
Modulo de 
Young (GPa) 
Tenacidade 
(kJ/m2) 
Náilon-6 puro 0 69 1,1 6,2 
Microcompósito 5,0 61 1,0 5,9 
Nanocompósito 4,2 107 2,1 6,1 
 
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Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Quadro 2 - Algumas características mecânicas do 
poliuretano comparadas com um nanocompósito 
poliuretano / montmorilonita (Wang e Pinnavaia, 1998)
Nanocompósitos com matriz polimérica e 
cargas inorgânicas lamelares
Material % de 
montmorilonita 
Resistência à 
tração (MPa) 
Modulo de 
Young (MPa) 
Deformação na 
ruptura (%) 
Poliuretano 0 1,5 2 60 
Nanocompósito 5 2,5 4,6 90 
 
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Esquema mostrando que, para uma mesma fração em 
volume de carga, a região interfacial, ínfima no caso do 
macrocompósito, se torna a fase predominante no 
nanocompósito (Vaia e Giannelis, 2001)
Nanocompósitos com matriz polimérica e 
cargas inorgânicas lamelares
Figura 3
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Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Melhoria da estabilidade térmica pelo aumento da
temperatura de distorção ao calor (início do amolecimento)
em até 150oC
• Capacidade de atuar em sinergia com produtos
retardantes de chama na resistência ao fogo através da
formação de uma camada (char) isolante e incombustível,
e isto com baixos teores de carga
Nanocompósitos com matriz polimérica e 
cargas inorgânicas lamelares
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Redução significativa da permeabilidade aos gases pelo 
aumento da tortuosidade (Lettre de L´Agence Rhône-
Alpes pour la Mâitrise des Matériaux, 2005).
Nanocompósitos com matriz polimérica e 
cargas inorgânicas lamelares
Figura 4 - Representação esquemática do caminho tortuoso de um gás através do nanoscópio.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Nanotubos de carbono (NTC): folhas (uma ou mais) de 
grafeno enroladas em forma cilíndrica
Resistência a tração: 11 - 63 GPa
Módulo de Young: 450 - 1500 GPa
Nanocompósitos com matriz polimérica 
reforçada por nanopartículas e nanofibras
Figura 5 – Micrografias mostrando (a) nanotubos de carbono e (b) a estrutura em camadas de um 
nanotubo de carbono multiparedes (THOSTENSON, REN e CHYOU, 2001).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Qian et al. (2000): 1% de NTC aumentou módulo e tensão
na ruptura do poliestireno em, respectivamente, 42 e 25%
• Gong et al. (2000): 1% de NTC aumentou em 30% do
módulo de uma resina epóxi
• Weisenberger et al. (2003): 1,8% de NTC aumentou
módulo, resistência à tração e tenacidade de uma matriz
de poliacrílico em, respectivamente, 36%, 31% e 80%
• Ruan et al. (2003): 1% de NTC aumentou módulo,
resistência à tração e tenacidade do polietileno de
altíssimo peso molecular em, respectivamente, 25%, 25%
e 150%
• Biercuk et al. (2002): 2% de NTC triplicou a dureza
(Vickers) de uma resina epóxi
Nanocompósitos com matriz polimérica 
reforçada por nanopartículas e nanofibras
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• No entanto, apesar de promissor, esse desempenho está,
por enquanto, bem abaixo do que deixavam esperar as
características mecânicas dos NTC. Isso é devido a duas
dificuldades:
• 1) Conseguir uma dispersão uniforme dos NTC ao longo da
matriz polimérica
• 2) Otimização da adesão NTC/matriz para promover uma
efetiva transferência de tensões.
• Porém, por meio de modificações químicas da superfície
dos NTC e do uso de tenso-ativos de alto desempenho, a
dispersão e a ancoragem desses NTC nas matrizes
poliméricas podem ser melhoradas
Nanocompósitos com matriz polimérica 
reforçada por nanopartículas e nanofibras
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Em metalurgia, usando os conceitos da nanociência, 
procura-se:
• Sintetizar nanocompósitos de metais com outros materiais
(tais como cerâmicas (cermet), polímeros, nanotubos de
carbono)
• Lutar contra a corrosão
• Produzir metais e ligas nanomodificados
Nanotecnologia e metais
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• A redução do tamanho de grão na escala nanométrica:
• Pode baixar de 40oC a temperatura de transição dúctil / frágil
no aço doce (Koch, 1999)
• Pode tornar os metais puros entre 2 e 7 vezes mais duros e,
conseqüentemente, mais resistentes (Siegel, 1997)
• Gera comportamentos atípicos: o recozimento do alumínio
nanoestruturado em lâminas a 150oC durante 30 minutos
aumentou a resistência em 9%, e a ductilidade foi tão
reduzida, que o metal se tornou quase frágil, enquanto o
encruamento a frio por laminação aumentou a ductilidade às
custas da resistência, ao contrário do efeito desses
tratamentos em metais convencionais (Huang, Hansen e
Tsuji, 2006)
Metais e ligas nanomodificados
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Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Quadro 3 - Limite de elasticidade de nanocompósitos Al/NTC 
comparadas com o alumínio puro em função do tempo de 
recozimento (Kuzumaki et al., 1998)
Nanocompósitos metal / nanofibras
 Limite de 
elasticidade 
(MPa) 
Limite de elasticidade (MPa) 
após recozimento a 873 K 
durante 50 h 
Limite de elasticidade (MPa) 
após recozimento a 873 K 
durante 100 h 
Alumínio puro 89 45 40 
Nanocompósito Al / 
5% NTC 
83 75 76 
Nanocompósito Al / 
10% NTC 
80 75 76 
 
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Problemas de dispersão foram apontados por Feng, Yuan
e Zhang (2005) como causa do aumento, abaixo do
esperado, da resistência à flexão (9%) de nanocompósitos
de prata com 8% em volume de NTC. Por outro lado, os
autores observaram um aumento de 27% da dureza.
• Melhorando a dispersão dos NTC na matriz de alumínio,
George et al. (2005) relatam um aumento do módulo de
Young e da tensão de escoamento de, respectivamente,
27% e 24% em nanocompósitos de alumínio com 2% de
NTC em volume em relação à matriz pura.
Nanocompósitos metal / nanofibras
Livro: Materiais de Construção Civil 
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Quadro 4 - Módulo de Young, limite de elasticidade e tensão 
de escoamento de nanocompósitos Cu/NTC comparados 
com o cobre puro (Kim et al., 2006)
Nanocompósitos metal / nanofibras
 Módulo de 
Young (GPa) 
Limite de 
elasticidade 
(MPa) 
Tensão de 
escoamento – 
0,2% (MPa) 
Deformação 
(%) 
Cobre puro 70 135 176 14 
Nanocompósito 
Cu / 5% NTC 
125 150 220 8 
Nanocompósito 
Cu / 10% NTC 
137 197 281 6,5Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Aumento da resistência à corrosão
• Aço inoxidável nanomodificado que combina alta resistência
(até 3000 MPa) com tenacidade e ductilidade (redução da
quantidade de material usado e, conseqüentemente, do
peso) e resistência à corrosão (evita a necessidade de
tratamentos ambientalmente incorretos, como a
cromatização) (Sandvik, 2007)
• Aço com nanoestrutura laminada similar à madeira
compensada não apenas torna-o tão resistente à corrosão
quanto um aço inoxidável convencional, mas também gera
propriedades mecânicas (resistência, ductilidade, fadiga)
superiores às dos aços de alta resistência tradicionais
(MMFX, 2007)
Nanotecnologia e metais
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Os materiais cerâmicos apresentam, geralmente, alta
rigidez e excelente estabilidade térmica com uma
densidade relativamente baixa. No entanto, sua fragilidade
limita seu uso como material estrutural
• A combinação de nanopartículas ou nanofibras com uma
matriz cerâmica pode potencialmente gerar compósitos
com alta estabilidade térmica aliada a uma excepcional
tenacidade
Nanocompósitos com matriz cerâmica
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
O desempenho dos nanocompósitos depende:
• Da quantidade e qualidade dos NTC
• Do processo de fabricação que determina a dispersão
e orientação dos NTC na matriz, assim como a
natureza das ligações interfaciais NTC matriz
Nanocompósitos com matriz cerâmica e 
nanotubos de carbono
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Compósitos NTC/SiC apresentam um aumento de 10% na
resistência e na tenacidade (Ma et al.,1998)
• Compósitos alumina/NTC (10%) apresentam um aumento
de 24% da tenacidade (Siegel et al., 2001)
• Nanocompósitos alumina nanocristalina / NTC (10%)
apresentam um aumento da tenacidade num fator 3 em
relação à alumina monolítica (Zhan et al., 2003)
• Nanocompósitos pó de sílica / NTC (5%) apresentam um
aumento de 65% na resistente à flexão e uma rigidez
100% maior do que o mesmo material produzido sem NTC
(Ning et al., 2003)
Nanocompósitos com matriz cerâmica e 
nanotubos de carbono
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Quadro 5 -Características de um nanocompósito de Si3N4
com NTC comparadas com a matriz pura e compósitos 
com reforços tradicionais à base de carbono (Balazsi et 
al., 2003).
Nanocompósitos com matriz cerâmica e 
nanotubos de carbono
 Densidade aparente 
g/cm3 
Modulo de Young 
(GPa) 
Resistência à flexão 
(MPa) 
Si3N4 puro 3,116 225 600 
Si3N4 + de negro de fumo (23% 
em massa) 
2,415 110 120 
Si3N4 + grafite (23% em massa) 2,42 90 210 
Si3N4 + fibras de carbono (1% 
em massa) 
2,315 80 110 
Si3N4 + NTC (1% em massa) 2,467 125 290 
 
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Materiais sólidos formados por uma rede interligada de 
nanopartículas de sílica (às vezes alumina):
• Hiperporosidade, superior a 99%, sem ser pulverulento
• Densidade de 3 kg/m3
• Área específica superior a 500 m2/g.
Aerogéis
Figura 6 – Folha formada 
por um aerogel de silica.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Possuem propriedades de isolamento térmico
excepcionais: podem apresentar uma condutividade
térmica inferior à do ar. Devido ao tamanho dos poros
entre 2 e 50 nm, o ar não consegue circular livremente,
quase bloqueando o transporte de calor por convecção
• Têm uma transmissão luminosa de 84% (a do vidro é de
89%), o que os torna candidatos promissores para a
isolação em duplos envidraçamentos
Aerogéis
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Concretos, argamassas e derivados, que possuem as
nanoestruturas complexas do cimento e seus hidratos, são
excelentes candidatos para a manipulação e o controle de
suas propriedades através da nanotecnologia:
• A adição de nanopartículas ao concreto permitirá um melhor
controle da sua microestrutura e produzir materiais mais
resistentes e mais duráveis
• A capacidade de programar a difusão progressiva dos
aditivos químicos em concretos e argamassas permitirá
tornar mais eficientes as operações no canteiro
• A utilização de ligantes reforçados com fibras e armaduras
de diâmetro nanométrico permitirá produzir produtos
cimentícios mais resistentes, impedindo a formação e a
propagação de fissuras
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• O C-S-H é considerado como o verdadeiro ligante da
pasta de cimento endurecida e é o principal responsável
por grande parte das propriedades da pasta de cimento
endurecida. No entanto:
• É um material frágil com baixa resistência à tração
• É responsável pela instabilidade dimensional dos produtos à
base de cimento (retração, fluência).
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
O C-S-H apresenta um modo de organização estrutural 
multiescala (Minet, 2003):
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Figura 7 – Estrutura dos C-S-H em diferentes escalas de observação (MINET, 2003).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Modelo de Feldman e Sereda: a estrutura do C-S-H é
composta por um arranjo aleatório, irregular e dobrado de 
folhas, de modo a formar espaços intersticiais de forma e 
tamanho diferentes (50 a 250 nm) (Regourd, 1982)
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Figura 8
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Melhorando a coesão e dominando a fluência
• Quase todos os avanços nas propriedades mecânicas dos
materiais cimentícios conseguidos nas últimas décadas
foram realizados através da redução da porosidade capilar e
pela otimização dos empilhamentos granulares. No entanto,
em termos de desempenho, chegou-se próximo de uma
assíntota, o que sugere que a melhoria das propriedades
mecânicas só pode vir a partir de modificações nas escalas
mais finas do material. Isso ocorre de duas maneiras
• Controle da nanoporosidade (poros de tamanho inferior à centena
de nanômetros) que se situa ao nível do arranjo das
nanocristalitas do silicato de cálcio hidratado
• Modificação das forças de ligação entre as partículas
(nanocristalitas do silicato de cálcio hidratado)
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Melhorando a coesão e dominando a fluência
• Até recentemente, a natureza dessas ligações era
desconhecida. Há, agora, uma clara evidência de que há
envolvimento de forças iônicas (simulações de Monte Carlo,
dinâmica molecular, medidas diretas de força atômica em
nanoescala) dentro do nanofilme da água que separa as
partículas do gel de C-S-H (Pellenq e Van Damme, 2004).
• Aprender como modificar essas forças, por substituições
iônicas nas fases do cimento, pode ser o caminho a ser
seguido para a melhoria da resistência.
• Entender e controlar a mobilidade iônica e molecular nos
filmes nanoscópicos que separam as partículas elementares
do hidrato permitirá uma compreensão nanomecânica das
deformações plásticas lentas, abrindo novos caminhos para
o controle da fluência.
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Evitando a fissuração nas primeiras idades
• A fissuração nas primeiras idades pode ocorrer através da
perda de água por secagem,ou sob condições endógenas
no caso de materiais de alto desempenho com baixas
relações a/c (< 0,3)
• As forças que conduzem a tal fissuração são as forças
capilares geradas nos poros que, geralmente, são
parcialmente preenchidos com água. As forças capilares
tornam-se significativas quando o tamanho dos poros
parcialmente preenchidos é menor que aproximadamente 50
nm.
• A incorporação de pequenas quantidades de nanofibras,
atuando como pontes de transferência das tensões de
tração geradas, por tais forças capilares pode ser uma
solução para diminuir a ocorrência de fissuração nas
primeiras idades
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Livro: Materiais de Construção Civil 
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• Aumentando a resistência e a ductilidade ao mesmo
tempo
• O reforço da estrutura do C-S-H com fibras e armaduras
de diâmetro nanométrico permitirá produzir produtos
cimentícios mais resistentes e também mais dúcteis,
permitindo dispensar-se o uso da armadura de aço
• Outra via potencial para tornar o C-S-H mais dúctil é a
fabricação de nanocompósitos ou híbridos C-S-
H/polímero. A intercalação de moléculas orgânicas na
nanoestrutura do C-S-H e de outros hidratos do cimento
pode possibilitar mudanças radicais das propriedades em
todas as ordens de grandeza.
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Aumentando a velocidade de ganho de resistência
• A possibilidade de aumento da relativa baixa velocidade de
ganho de resistência em construções baseadas em cimento
Portland seria uma contribuição significativa em termos de
produtividade no canteiro, permitindo desfôrma e
carregamento dos elementos estruturais mais rápidos.
• A ativação térmica é usada para acelerar a velocidade de
ganho de resistência, mas, em contrapartida, gera
propriedades pouca satisfatórias em longo prazo.
• Uma melhor compreensão da nanoestrutura dos hidratos e a
maneira em que estes são influenciados por vários
parâmetros (mudanças de temperatura e aditivos) abrirá a
possibilidade de melhorarem-se as propriedades tanto em
curto quanto em longo prazo pela “manipulação” da
formação dos hidratos por meio de adições controladas para
mudar a química do sistema.
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Melhorando o rendimento do cimento
• Para reduzir as emissões do CO2, o consumo de matérias
fósseis e de energia, é necessário reduzir a quantidade de
clínquer usado em produtos de cimento. Isso se consegue
pelo aumento dos níveis de substituição do cimento por
subprodutos industriais, tais como cinzas volantes, escórias
de alto forno e sílica ativa.
• O domínio dos nanoprocessos em termos de reatividade de
superfície e de nanoestrutura dos hidratos e a localização
desses hidratos na matriz compósita permitirá encontrar
maneiras de aumentar a velocidade de desenvolvimento das
características mecânicas das misturas que contêm esses
materiais, mas sem afetar a durabilidade em longo prazo.
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Entendendo e controlando as reações deletérias do
cimento no concreto
• O mecanismo da expansão gerada pelo gel formado a partir
da reação de alguns tipos de agregados com os álcalis do
cimento parece envolver uma transformação de fase de um
gel amorfo para uma estrutura em camada.
• No caso da formação de etringita expansiva, sabe-se que,
sob certas condições, o C-S-H pode adsorver os íons
sulfatos e soltá-los sob outras condições.
• Uma melhor compreensão desses mecanismos na
nanoescala e da maneira em que a nanoestrutura está
influenciada pela química do sistema, temperatura e
umidade relativa pode permitir o controle e a minimização
desses fenômenos deletérios.
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
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• Materiais a base de cimento portland com nanopartículas
• Aumento da viscosidade da fase líquida, reduzindo a segregação e
aumentando a trabalhabilidade
• Efeito fíler: as nanopartículas preenchem os vazios entre os grãos
de cimento
• As nanopartículas aceleram a hidratação do cimento e favorecem
a formação de pequenos cristais de hidróxido de cálcio e
aglomerados de C-S-H
• A nanosílica participa na reação pozolânica, consumindo o
hidróxido de cálcio produzindo um C-S-H adicional
• As nanopartículas melhoram a microestrutura da zona interfacial
de transição, resultando numa melhor ligação entre agregados e
pasta de cimento
• A melhoria geral da microestrutura aumenta a tenacidade,
resistência ao cisalhamento, tração e flexão
Nanotecnologia do cimento e seus produtos
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Biomimética: ciência que tenta reproduzir a natureza ou,
em outras palavras, entender porque a natureza
privilegiou certa solução para resolver um problema dado
considerando os meios à disposição: matérias-primas,
condições de temperatura e de pressão do ambiente, etc.
• Estuda-se como a natureza soluciona, por exemplo,
problemas de adesão e produz materiais resistentes,
tenazes e leves ao mesmo tempo.
Biomimética, materiais automontados, 
auto-reparo 
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• É possível decompor-se a aproximação biomimética em
três grandes etapas (Arribart, 2005):
1. A identificação: escolher um material que apresenta
propriedades interessantes.
2. A compreensão: entender como a propriedade em questão
se expressa. A caracterização aprofundada da estrutura,
que deve ser realizada em vários níveis de escala, do
macroscópico ao nanométrico, permitirá entender os
processos de formação, as regras e os modos de
construção dos objetos biológicos, aprender a controlar as
ligações químicas e físico-químicas nas interfaces, a forma
e a compactação das nanopartículas, etc.
3. A imitação: usar métodos que, em geral, são diferentes e
mais eficientes do que os métodos naturais.
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• Porém, para serem bem-sucedidos, os materiais
elaborados deverão ser duráveis, sintetizados de maneira
fácil e rápida (a natureza pode demorar até anos para
produzir um composto) e ter um baixo custo
• Em vez de tentar copiar diretamente a biologia, uma
melhor filosofia consiste em aprender da biologia e usar
este conhecimento para criar materiais sintéticos. Isso
pode envolver o uso ou não de moléculas biológicas, mas
não deve se tentar plagiar um processo biológico
específico (Braun, 2003)
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• Os organismos biológicos produzem materiais compósitos
complexos que apresentam uma composição e
microestrutura hierarquizada, contendo misturas
complicadas de componentes orgânicos e inorgânicos (Lin
e Meyers, 2005)
• Por exemplo, alguns desses materiais naturais, tais como
conchas, ossos, dentes, etc., aproveitam-se dessa
sinergia apresentando propriedades únicas do ponto de
vista de sua tenacidade, resistência à flexão, etc., e isto
para teores em fase orgânica extremamente baixos.
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• Camada de nácar da casca da concha de abalone
(molusco da Califórnia)
• Excepcionalmente resistente por causa da estrutura
nanocompósita em camadas alternadas inorgânica/orgânica, na
qual nanocamadas de cerâmicacristalina (aragonita com 500 nm
de espessura) são separadas por nanocamadas (30 nm de
espessura) de uma matriz orgânica de proteína à base de
polissacarídeo
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auto-reparo
•Figura 9 – Micrografia 
de uma superfície de 
fratura da nácar da 
concha de abalone 
(MORSE, 2007).
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• Formação da camada de nácar da casca da concha de
abalone: processo de biomineralização
• A matriz orgânica, que representa somente uma pequena parcela
do material, é sintetizada, inicialmente, formando um
“nanoesqueleto” em camadas, cujos vazios são preenchidos pelos
cristais de aragonita
• A matriz define a forma e o tamanho dos cristais de aragonita, mas
também controla sua orientação cristalográfica
• Conseqüentemente, forma-se um material no qual uma fratura
dissipará muita energia para se propagar através o caminho
tortuoso formado pela matriz. O compósito resultante apresenta
uma tenacidade cerca de 3000 vezes maior em relação à
aragonita inorgânica.
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• Formação da camada de nácar da casca da concha de
abalone: processo de biomineralização
• Porém, as estruturas parecidas com a da concha de abalone
sintetizadas em laboratório apresentam propriedades bem
inferiores (Braun, 2003). Isso sugere que a estrutura da concha de
abalone é mais do que uma simples alternância de camadas
orgânicas e inorgânicas.
• Segundo Weiner e Addadi (1997), a maneira segundo a qual a
fase mineral e o material orgânico estão organizados é um dos
fatores chave que contribuem nas performances do material. Isso
sugere que uma das estratégias desses materiais é a capacidade
de criar propriedades isotrópicas em compostos inerentemente
anisotrópicos.
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• Outros exemplos de comportamentos marcantes que
podem servir de modelos para melhorar materiais de
engenharia:
• o entendimento do processo em que mexilhões conseguem se
grudar em superfícies subaquáticas e sob pressão poderia ser
muito útil para as construções submersas
• a reprodução das características repelentes a água da superfície
da folha de lótus permitirá fabricar materiais e componentes
sempre limpos, dispensando a manutenção
• a aranha produz fios que têm tenacidade cinco vezes maior do que
a o aço (relacionado à massa), deformam até 40% sem romper e
têm alta resistência à degradação. Os fios são formados por uma
mistura complexa de duas proteínas cada uma contendo três tipos
de regiões (cristalina altamente orientada, cristalina menos
orientada e amorfa) com propriedades distintas (Zhu et al., 2004)
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auto-reparo
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• O conceito de auto-reparo ou autocicatrização é também
baseado na síntese biomimética. Para ser bem-sucedido,
o compósito sintético autocicatrizante deve conter um
sistema de auto-reparo que:
• não afete as propriedades e performances do material,
• que seja capaz de detectar o dano e iniciar o reparo,
• que restaure as propriedades originais do material, como,
por exemplo, resistência e tenacidade (Wool, 2001).
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auto-reparo
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• Sistema de auto-reparo de uma resina epóxi (White et al.
2001)
• Microcápsulas foram preenchidas pelo fluido de reparo, o
diciclopentadieno, que, na presença do catalisador de Grubbs,
forma um polímero muito tenaz.
• As microcápsulas e o catalisador foram incorporados
separadamente à matriz de epóxi moldada na sua forma final.
• O material foi carregado de maneira a formar microfissuras.
• Por razões de transferência de tensões, as microfissuras migram
em direção às microcápsulas menos rígidas que vão romper e
liberar o fluido de reparo.
• O fluido vai caminhar por capilaridade nas microfissuras até
encontrar o catalisador de Grubbs, iniciando, assim, a
polimerização e o preenchimento da microfissura, restaurando a
resistência e a tenacidade da resina epóxi.
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auto-reparo
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• Revestimento anticorrosão capaz de autocicatrização
(Shchukin et al. 2006)
• São sintetizados nanoreservatórios contendo o inibidor de
corrosão: formados por nanopartículas de sílica recobertas por
uma finíssima camada de dois polímeros eletricamente
carregados; em seguida, vem a camada de inibidor de corrosão, o
benzotriazol, que se fixa nos polímeros.
• Os nanoreservatórios são misturados a um gel que é espalhado na
superfície do metal a ser protegido, o alumínio neste caso, dando
uma proteção inicial por barreira física como qualquer
revestimento.
• Mas quando ocorre um dano na camada de gel, os polímeros
liberam o inibidor de corrosão que vai preenchendo a fissura
recém-aberta. O gel consegue “tapar” fissuras de ate 100 μm de
abertura em menos de 24 horas.
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auto-reparo
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• O desenvolvimento de materiais e componentes pela
aplicação dos conceitos da nanociência/nanotecnologia
deve beneficiar vários setores da economia, tais como
saúde, energia, meio ambiente, eletrônica, química,
cosmética, têxteis, transporte, assim como a indústria da
construção.
• Porém, mesmo se existirem alguns produtos comerciais, a
nanotecnologia aplicada à construção está ainda num
estágio embrionário. Isso é devido ao fato de que,
geralmente, as inovações na construção civil estão
oriundas, tradicionalmente, da transferência de tecnologia
de outros setores.
Conclusão 
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• Em curto prazo, o maior impacto deve ser na melhoria das
performances dos materiais. Salienta-se que, devido ao
grande consumo de materiais pela indústria da construção
civil, qualquer melhoria pode gerar enormes benefícios
socioeconômicos e ambientais.
• A médio e longo prazo, será provavelmente possível
produzir materiais e componentes multifuncionais como,
por exemplo, materiais cujas propriedades elétricas,
mecânicas e térmicas seriam definidas a priori e exibiriam
uma anisotropia ou uma heterogeneidade adaptável a
situações precisas.
Conclusão 
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• Riscos da nanotecnologia
• O mais óbvio, inerente à nanotecnologia, está ligado ao
tamanho dos objetos que são invisíveis para o olho humano.
• Um outro risco é devido às modificações eventuais das
propriedades físicas e químicas dos materiais quando
passam do tamanho macro para o nano. Por exemplo, na
forma maciça, a maioria dos metais não interage com o
organismo humano, enquanto na forma nanométrica eles
podem se transformar em venenos extremamente potentes.
• Atualmente, muitos estudos sobre os riscos toxicológicos
associados à disseminação de nanopartículas em nosso
ambiente (solo, água e ar) estão em desenvolvimento
Conclusão