Introdução Materiais

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Química Bacharelado
Segundo semestre de 2019
Prof. Fábio Luiz Pissetti
Química de Materiais
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 A importância dos materiais na vida humana
 Diferentes materiais são utilizados em absolutamente todas as
atividades humanas
 Acender uma lâmpada, ouvir um CD (pendrive) ou dirigir um
automóvel, assistir TV, envolvem a utilização de um grande
número de diferentes materiais com as mais diversificadas
propriedades.
 A utilização, o domínio, o desenvolvimento e a exploração de
diferentes materiais têm uma profunda influência no
desenvolvimento social e estão intimamente relacionadas a
aspectos socioeconômicos, culturais, geográficos, demográficos,
ambientais, dentre outros.
Histórico
Aldo J. G. Zarbin, Quim. Nova, Vol. 30, No. 6, 1469-1479, 2007
Histórico
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Histórico
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Fibras óticas
Histórico
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✓ Computadores, celulares – Silício
Histórico
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 2005 - James Tour da Rice University desenvolveu o nanocarro,
uma molécula no formato H e com moléculas de fulereno
servindo como rodas. O nanocarro foi colocado sobre uma
superfície de ouro.
 O carro se movimenta quando a superfície de ouro atinge 200ºC
ou quando é empurrado por um STM.
Histórico
Vídeo
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https://www.youtube.com/watch?v=lASdcW-BtiU
Material
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 Toda matéria é um material em potencial
 Alguma de suas propriedades (óticas, magnéticas, mecânicas,
catalíticas, elétricas, etc.) confere uma função específica
 Materiais podem ser definidos como “substâncias (ou mistura
de substâncias) que possuem propriedades que as tornam úteis
em produtos, dispositivos, estruturas e máquinas”
 http://www.artesmedicas.com/piezoeletricidade.htm
Aldo J. G. Zarbin, Quim. Nova, Vol. 30, No. 6, 1469-1479, 2007
Química de Materiais
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 Perspectiva macroscópica que caracteriza os materiais 
(propriedades úteis para determinada função)
 Enfoque atômico/molecular característico da Química 
(preparação, compreensão e estudo de reatividade de 
sólidos e moléculas) 
 Conhecimento e controle das conexões existentes entre 
estrutura, propriedades e funções de diferentes materiais.
Aldo J. G. Zarbin, Quim. Nova, Vol. 30, No. 6, 1469-1479, 2007
Química de Materiais
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Aldo J. G. Zarbin, Quim. Nova, Vol. 30, No. 6, 1469-1479, 2007
Relação entre aplicação, estrutura, propriedade e preparação de materiais
Química de Materiais
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 A “Química de Materiais” pode ser definida como um ramo da
Química que se dedica à síntese (preparação), caracterização,
compreensão de propriedades e estudo de aplicações de
compostos que possuem alguma função (ou que têm função em
potencial)
 O foco deste ramo do conhecimento está centrado na utilização
da Química para criar, compreender e desenvolver compostos ou
sistemas que podem levar a melhorias significativas em
tecnologias já existentes
Química de Materiais
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 Objetivo de preparar um material para uma aplicação específica
 Qual é a propriedade que o material deve possuir para que seja
usado naquela aplicação
 A partir disto, qual é a composição química e qual a estrutura do
material capaz de fornecer a propriedade desejada
 A rota de preparação (síntese) capaz de produzir exatamente
aquele material (com estrutura e composição química desejadas)
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Química de Materiais
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Síntese/Preparação
 Compreensão das reações químicas e metodologias que levam
a produção de determinados materiais:
 Estudo de diferentes reagentes e precursores
 Desenvolvimento de novas rotas de preparação e modificação
e aprimoramento de rotas já existentes
 Otimização e planejamento de processos que levem à
produção de diferentes materiais
Síntese/Preparação
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 Um controle sintético permite a obtenção de materiais com:
 Diferentes graus de pureza,
 Cristalinidades e estruturas cristalinas,
 Tamanhos de partículas,
 Novos materiais, com composições e estruturas inéditas
 Exemplo: A síntese de vidros e cerâmicas feita pelo método clássico 
fusão e resfriamento de óxidos ou reações no estado sólido
 O processo sol-gel permitiu preparação com baixo gasto energético 
(temperatura baixa)
Química de Materiais
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Caracterização
 Técnicas químicas e físicas para compreensão de diferentes
aspectos relacionados:
 Composição (relação estequiométrica, presença de defeitos,
estados de oxidação, etc.)
 Estrutura de materiais (amorfo ou cristalino, fase cristalina,
ligações químicas, etc.)
 Interações específicas entre fases (para materiais multifásicos)
 Tamanhos e formas de partículas, etc.
Química de Materiais
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Estudo de propriedades
 Relação estrutura-propriedade que visa a determinação das
diferentes propriedades dos materiais (elétricas, óticas,
magnéticas, catalíticas, mecânicas etc.)
 O mecanismo pelo qual estas propriedades se manifestam, e as
relações existentes entre uma propriedade específica e a
estrutura/composição do material
Química de Materiais
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Aplicações
 Aproveita uma propriedade específica de um material para sua
utilização como componente ativo em dispositivos, máquinas,
sistemas, etc.
 Como são preparados? Como estão estruturados? Como se
comportam? Qual sua utilidade? Onde podem ser empregados?
Processamento Estrutura Propriedade Performance
Química de Materiais
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Aplicações 
Importância da relação
Estrutura Propriedade
Vídeo sobre como são feitos os microchips
http://www.youtube.com/watch?v=aWVywhzuHnQ
https://www.youtube.com/watch?v=qm67wbB5GmI
I
Animações mostrando como são feitas as "bolachas" de sílicio
http://www.youtube.com/watch?v=LWfCqpJzJYM
https://www.youtube.com/watch?v=AMgQ1-HdElM
Materiais metálicos
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 São constituídos de elementos metálicos puros, como ferro,
cobre, etc
 Ligas metálicas, aço, bronze, etc.
 Possuem elétrons deslocalizados em sua estrutura
 Caracterizam-se pela alta condutividade elétrica e térmica,
brilho, maleabilidade, ductibilidade e resistência mecânica.
 Utilizados como fios condutores (cobre), materiais para
sustentação na construção civil (aço), na indústria
automobilística, em utensílios domésticos, etc.
Polímeros
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 Compostos macromoleculares, de origem natural ou sintética,
formados pela repetição de um grande número de unidades
químicas estruturais (meros)
 Podem ser inorgânicos ou orgânicos
 Plásticos, borrachas, celulose, diferentes classes de silicones e
vários tipos de adesivos fazem parte dos materiais poliméricos.
Polímeros
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 Baixas condutividades elétrica e térmica
 Baixa resistência mecânica
 Baixa resistência térmica (não podem ser utilizados para
aplicações que requeiram altas temperaturas)
 Uma das classes de materiais mais utilizadas em aplicações
diversas, como embalagens, adesivos, componentes de
automóveis, em circuitos integrados, fibras para vestimentas etc.
Cerâmicas
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 Compostos fundamentalmente inorgânicos
 Óxidos, sulfetos, nitretos, carbetos, silicatos, carbonatos
 Isolantes térmicos e elétricos
 Alta resistência térmica e química
 Alta dureza, mas são materiais quebradiços
 Os vidros fazem parte deste grupo de materiais
 As cerâmicas são utilizadas como materiais refratários, em
embalagens e janelas de vidros, fibras óticas etc.
Compósitos
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 Materiais formados pela combinação de dois ou mais 
diferentes materiais
 Produzem propriedades únicas e sinergísticas, diferentes 
daquelas de seus componentes individuais
 Concreto, madeira, tintas e fibras de vidro
Semicondutores
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 Condutividade elétrica intermediária entre os metais e os
isolantes Mecanismo de condução diferenciado dos metais
 Silício, germânio, CdS, GaAs, etc
 Aplicações eletrônicas, em computadores e tecnologia de
comunicação
 Responsáveis pelo advento dos transistores, diodos e circuitos
integrados, que revolucionaram a indústria eletrônica a partir da
década de 60
Biomateriais
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 São utilizados em implantes dentro do corpo para repor partes
danificadas ou doentes
 Não produzir substâncias tóxicas e tem de ser biocompatíveis
 Alguns exemplos de biomateriais são próteses, implantes, lentes
de contato e marcapassos
Materiais inteligentes
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 São materiais que tem a capacidade de detectar variações no
ambiente e então responder a isto de maneira pré-determinada
 Similares aos organismos vivos
 Em geral, material inteligente tem um sensor (detecta um sinal) e
um atuador (função responsiva/adaptativa)
 Materiais inteligentes tornam automóveis mais silenciosos: esferas
de amortecedor com propriedades piezoelétricas
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=materiais-inteligentes-automoveis-mais-silenciosos&id=010170110321
Nanomateriais
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 1985 – Descoberta dos fulerenos (C60) conhecidos como
"buckyballs", que medem um nanômetro de diâmetro e
recebem o Prêmio Nobel de Química em 1996.
 1989 - Donald M. Eigler da IBM escreve as letras da companhia
utilizando átomos de xenônio
Tipos de materiais
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 Definições amplamente utilizadas por vários cientistas,
porém falham em uma série de situações
 Um exemplo, polímeros condutores, polímeros orgânicos
com alta condutividade elétrica, similar ao semicondutores
ou até metais
 Pertencem tanto à classe dos materiais poliméricos quanto à
dos semicondutores, sendo conhecidos como
semicondutores orgânicos.
 Prêmio Nobel de Química de 2000
 Nanomateriais e materiais nanoestruturados
Novo material?
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 Material de criação recente, e que não existia há algum tempo, é
um novo material
 Material que já existe há algum tempo, é um material tradicional
 Materiais novos X tradicionais
 O novo é aquele que permitiu inovações em altas taxas. A
descoberta de novas propriedades (ou novas aplicações) para um
material conhecido há milênios, faz deste um novo material
 Por exemplo, óxido de ferro é uma substância antiga (em termos
cronológicos), mas cada vez mais novo
 Nanopartículas de óxido de ferro para oxidação corante orgânico
azul de metileno em água (Quím. Nova, vol.32, no.7, 2009)
Síntese/Preparação
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“Top-down”
Pedras preciosas 
extraídas de minério
Bradley D. Fahlman, Materials Chemistry, Second Edition, Springer Science Business Media B.V. 2011
Síntese/Preparação
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“Botton-up”
Polímeros
Bradley D. Fahlman, Materials Chemistry, Second Edition, Springer Science Business Media B.V. 2011
Síntese/Preparação
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Berta Domènech, Julio Bastos-Arrieta, Amanda Alonso, Jorge Macanás, Maria Muñoz and Dmitri N. Muraviev (2012). Bifunctional 
Polymer-Metal Nanocomposite Ion Exchange Materials, Ion Exchange Technologies, Prof. Ayben Kilislioglu (Ed.), ISBN: 978-953-51-0836-
8, InTech, DOI: 10.5772/51579. Available from: http://www.intechopen.com/books/ion-exchange-technologies/bifunctional-polymer-
metal-nanocomposite-ion-exchange-materials
Síntese/Preparação
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Moinho de bolas de alta energia – top-down
Nano-materials Enabled Thermoelectricity from
Window Glasses Zalman B. Inayat, Kelly R. Rader
& Muhammad M. Hussain: Scientific Reports 2, 
Article number: 841; doi:10.1038/srep00841 
Síntese/Preparação
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Sol-gel – Bottom-up
https://str.llnl.gov/str/May05/Satcher.html
Caracterização
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 Novo material
 De fato o material apresenta a estrutura que foi
imaginada?
 Esta material apresentará a propriedade para qual foi
planejado?
Caracterização
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Cada técnica determina algumas propriedades
Mas, várias técnicas juntas…
Prof. Donato Aranda
Eng. Química - UFRJ
Caracterização
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Exemplo:
Aspecto macroscópico
Estrutura idealizada
Caracterização
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Caracterização
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Caracterização
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Caracterização
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 Técnicas espectroscópicas (Infravermelho, Raman, UV-Vis, NMR, RPE,
 Mössbauer, luminescência, EELS etc)
 Técnicas de difração (Raios X, elétrons, nêutrons etc)
 Técnicas térmicas (TGA, DSC, DTA etc) (PROPRIEDADE)
 Técnicas de superfície (XPS, ESCA, Auger, BET, Porosimetria etc.) (PROPRIEDADE)
 Técnicas de microscopia eletrônica (MET, MEV)
 Técnicas de microscopia de sonda (AFM, SPM etc.)
 Técnicas envolvendo radiação síncrotron (EXAFS, XANES, difração, SAXS etc.)
 Técnicas envolvendo espalhamento de luz (DLS etc)
 Técnicas eletroquímicas (voltametria cíclica, impedância etc.) (PROPRIEDADE)
 Técnicas envolvendo medidas elétricas (quatro pontas etc) (PROPRIEDADE)
PERFORMANCE