Novos materias

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Por toda a história, os materiais e os avanços na tecnologia dos materiais influenciaram a umanidade. Agora, podemos estar à beira da próxima mudança nesse tipo de tecnologia, criando produtos e funções que jamais imaginamos que seriam possíveis.
Os materiais compósitos são cada vez mais usados em aeronaves, automóveis, pás de turbinas eólicas e outros materiais. Outros materiais, como o grafeno, surgem com uma grande promessa e podem revolucionar o desenho industrial
Os novos materiais que não parecem deste mundo
Ajustar a estrutura de materiais para manipular sua aparência já é algo bastante comum. O próximo passo no mundo da física é mudar a mecânica. Ideias, projetos e amostras estão surgindo, incluindo cerâmica elástica, mantos de intocabilidade – cobrem coisas e não permitem que elas sejam sentidas – e esponjas programáveis de borracha.
Esses materiais poderiam ajudar a construir azulejos de naves espaciais ou mesmo solas de sapatos sensíveis ao terreno. “Eu acho que essa ideia dos metamateriais vai lentamente migrar para diferentes áreas”, acredita o professor Martin Wegener, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha. “Originalmente, a excitação estava toda no electromagnetismo – e, em seguida, ela foi para áreas totalmente diferentes como a termodinâmica e, mais recentemente, a mecânica”.
Pesquisadores criam material tão preto que se torna invisível
Wegener explica que o termo “metamaterial” é aplicado a todos os tipos de designs estranhos e incríveis, sem muita consistência -, mas que, geralmente, refere-se a um caso em que propriedades incomuns aparecem, que não seriam esperadas a partir dos ingredientes originais.
Escondendo
Wegener trabalha com disfarces, mas seu objetivo não é tornar as coisas invisíveis. Ele quer escondê-las de forças físicas, e no ano passado seu laboratório produziu um material parecido com um favo de mel que torna objetos sob ele “intocáveis” (foto acima).
Este metamaterial em particular é uma estrutura sólida que atua como um fluido de determinadas maneiras, desviando a pressão em torno de sua carga escondida.
O minúsculo cilindro escondido era muito pequeno nesse caso (menos de 1mm), mas trabalhos relacionados foram usados por físicos e engenheiros franceses, que mostraram que um padrão cuidadoso de buracos poderia desviar as vibrações de terremotos. Tornando o próprio solo em uma espécie de metamaterial, o estudo poderia ir tão longe quanto proteger uma estação de energia de um tremor, por exemplo.
Programando
Bastiaan Florijn, um estudante do último ano de doutorado na Universidade de Leiden, na Holanda, apresentou o primeiro material mecanicamente “programável”.
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É uma laje com aparência de borracha com surpreendentemente baixa tecnologia, perfurada com uma matriz de buracos. Mas esses furos, de dois tamanhos, são especificamente concebidos de modo que eles podem comprimir verticalmente ou lateralmente – o interrupto é controlado através da adição de uma pequena braçadeira.
O resultado final é uma espécie de esponja de grandes dimensões que pode ser dura ou mole, ou ficar entre os dois em um estágio específico.
Se ela muda para se tornar mais suave enquanto ainda está sob pressão, isso é conhecido como “rigidez negativa” – uma propriedade tão estranha que Florijn diz ainda não ter uma aplicação para ela. Mas as placas têm outra propriedade que pode ser extremamente útil: elas absorvem energia.
“Imagine um amortecedor de carro que você pode programar – por exemplo, se você está dirigindo em um bairro com uma grande quantidade de crianças pequenas, você pode querer um pára-choque muito suave”, sugere Florign. “Mas, então, se você estiver indo rápido na estrada, você quer que ele seja duro”.
Ele e seus colegas também estão conversando com empresas de calçados, que estão interessadas ​​na produção de solas que se ajustam a terrenos diferentes.
Adaptáveis
Katia Bertoldi, da Universidade de Harvard, também estuda estranhos materiais elásticos como este, que têm uma “relação de Poisson” negativa. Isto significa que, quando você os comprime, em vez de serem esmagados para os lados e ficar tanto mais planos e mais amplos, eles na verdade diminuem em todas as direções. Quando esticados, se expandem em todas as direções. A equipe de Bertoldi projetou várias propriedades úteis em tais materiais, inclusive a absorção do som em frequências diferentes quando espremidos.
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A relação de Poisson também pode afetar a fadiga em um metal – por isso ela tem trabalhado com a Rolls Royce para projetar componentes do motor com fendas complexas dentro, o que os faria suportar muito mais ciclos de compressão antes de quebrar.
Das ligas metálicas aos polímeros sintéticos
A criação de novos materiais que possam atender as nossas necessidades, tanto do ponto de vista do desenvolvimento de novas tecnologias, como também para substituir outros na tentativa de baratear e melhorar as suas aplicações, é uma busca constante.
Durante muito tempo, os novos materiais que surgiram da combinação dos elementos encontrados na natureza quase sempre eram descobertos empiricamente, por exemplo, fundindo-se metais diferentes em várias proporções, para formar ligas mais leves, mais resistentes, mais maleáveis etc.
Com o aumento da compreensão das propriedades fundamentais da matéria, principalmente através da física e química, foi possível sintetizar novos materiais e encontrar novas propriedades.
A física, com o advento da mecânica quântica, levou a uma melhor compreensão das interações entre os átomos e, como consequência, ao entendimento de como surgem as propriedades elásticas, elétricas e magnéticas dos materiais. A química, por outro lado, ao criar modelos para entender as interações entre átomos e moléculas, ajuda a compreender como ocorrem as reações químicas que geram os materiais.
Entre os materiais mais utilizados no mundo estão os plásticos, devido à sua grande versatilidade. Eles são materiais orgânicos constituídos por grandes cadeias de polímeros – macromoléculas compostas por estruturas menores (monômeros). Por serem facilmente moldados, leves e resistentes, os plásticos são usados em muitos objetos ao nosso redor.
Um polímero que tem grande aplicação é o politetrafluoretileno, conhecido comercialmente como teflon e utilizado como revestimento antiaderente. O fato de ele praticamente não reagir com outras substâncias químicas faz com que tenha baixa toxicidade e possa ser usado também em próteses, por exemplo.
Entre os materiais mais usados no mundo estão os polímeros, como o politetrafluoretileno, chamado comercialmente de teflon e aplicado em utensílios como revestimento antiaderente. (foto: Jean-Pierre/ Flickr – CC BY-SA 2.0)
Há uma categoria específica de plásticos denominada polímeros condutores, que apresentam as propriedades mecânicas desses materiais, mas, ao mesmo tempo, podem ter propriedades elétricas semelhantes às dos metais. Por isso, quando foram descobertos, foram chamados também de ‘metais sintéticos’.
Uma propriedade interessante é que, quando uma corrente elétrica flui em certos tipos de polímeros condutores, eles emitem luz. Esses materiais hoje estão presentes em vários equipamentos eletrônicos, como telas de celulares e alguns televisores de alta definição. Os aparelhos celulares atualmente são leves porque a parte eletrônica é ‘blindada’ por polímeros condutores, que fazem o papel anteriormente feito pelos pesados invólucros metálicos.
Propriedades revolucionárias
Dentre as propriedades de materiais construídos artificialmente, destacam-se as magnéticas. A principal aplicação dessas propriedades é a gravação magnética. Praticamente todas as informações que existem estão estocadas magneticamente nos milhões de computadores e nos grandes servidores de internet. Por exemplo, o dinheiro que temos em nossa conta corrente não existe fisicamente; ele é apenas uma informação armazenada em um computador de banco.
Para armazenare processar informações, o computador utiliza o chamado padrão binário, expresso pelos números 0 e 1 (que representa um bit de informação). Qualquer arquivo gravado, seja ele um software, um vídeo, uma foto, uma música etc., é representado por uma combinação de milhões ou bilhões bits.
Um dos grandes desafios tecnológicos do momento é o desenvolvimento de compostos alternativos para a obtenção de ímãs de alta magnetização, cujo uso é fundamental em sensores, chaves magnéticas e geradores elétricos
O magnetismo nos materiais se caracteriza por ser dipolar, ou seja, tem sempre dois polos magnéticos – norte e sul. Dessa maneira, a gravação magnética nos discos rígidos de computadores se dá por meio da magnetização de uma pequena região, da ordem de alguns nanômetros, orientando-a na ‘direção norte’ ou ‘direção sul’. A direção norte pode representar o número 1 e a direção sul pode representar o ‘0’.
Um dos grandes desafios tecnológicos do momento em relação aos materiais magnéticos é o desenvolvimento de compostos alternativos para a obtenção de ímãs de alta magnetização. Os ímãs feitos de ligas de terras-raras neódimo-ferro-boro ou samário-cobalto-boro, por exemplo, apresentam altos valores de magnetização e seu uso é fundamental em sensores ou dispositivos ativos, como chaves magnéticas e geradores elétricos.
Esse tipo de ímã também é fundamental para viabilizar o uso de carros elétricos. Além de superar o desafio de ter baterias com alta capacidade para armazenar eletricidade, esses carros dependerão de ímãs de alta magnetização para acionar seus inúmeros dispositivos.
Contudo, as maiores reservas desses metais raros estão na China e o preço deles vem aumentado nos últimos anos, o que dificulta o seu uso. Surge, então, o desafio de encontrar uma alternativa a esses materiais – que ainda não foi completamente desenvolvida.
Esses são apenas alguns exemplos dos diversos materiais que o homem criou ao longo de toda a sua história. Novas tecnologias sempre necessitam de novos materiais com novas propriedades e a capacidade de encontrar soluções para esses problemas é o que impulsiona o desenvolvimento científico e tecnológico. Certamente ainda inventaremos muitos novos materiais para aplicações que sequer sonhamos.