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DESCRIÇÃO A relação da Química como uma ciência estrutural e o conhecimento dos materiais empregados em Engenharia. PROPÓSITO Compreender o sistema microscópico que rege as propriedades e características da matéria, bem como o comportamento apresentado por ela é extremamente útil para a seleção e o emprego de materiais em Engenharia. OBJETIVOS MÓDULO 1 Relacionar a Química e a evolução da sociedade MÓDULO 2 Identificar energia, matéria e medidas MÓDULO 3 Descrever a estreita relação entre a Química e os materiais INTRODUÇÃO A QUÍMICA TECNOLÓGICA MÓDULO 1 Relacionar a Química e a evolução da sociedade A QUÍMICA E A EVOLUÇÃO DA SOCIEDADE MATERIAIS NA ANTIGUIDADE Desde muito cedo no Ocidente se trabalha com a ideia empírica da composição dos materiais que nos cercam. Grandes pensadores e filósofos gregos, entre eles o grande Aristóteles, já enveredavam pelo caminho do entendimento do mundo físico identificando quatro elementos básicos que compunham a natureza: a água, o vento, a terra e o fogo. Esses pensadores estavam interessados, também, nas transformações que esses elementos sofriam ou causavam em outras substâncias. Todavia, não se preocupavam muito em sistematizar esses processos ou mesmo estabelecer leis de comportamento para eles. Paralelamente ao andamento desses entendimentos mais gerais, certo grupo se dedicava a tarefas ainda mais ousadas, como tentar elucidar a composição desses elementos. Homens como Leucipo e Demócrito buscavam entender a existência ou não de uma partícula fundamental constituinte de tudo o que existe, posteriormente denominada átomo. LEUCIPO Filósofo grego, com ano de morte datado em 370 a.C., conhecido como mentor de Demócrito de Abdera. javascript:void(0) javascript:void(0) DEMÓCRITO Demócrito foi sucessor de Leucipo, conhecido por seu destaque na defesa e no estudo da teoria atômica. O homem primitivo lidava com os materiais que estavam a sua disposição de maneira fácil, rápida e acessível. O homem pré-histórico, caçador-coletor, não se diferencia muito dos primeiros homens que pensaram a ciência – guardadas as devidas proporções de área de conhecimento e aplicação da matéria. SAIBA MAIS Materiais como rochas, madeira, seivas, água e produtos de fonte biológica eram os insumos da pesquisa da humanidade até a Idade Média. Recursos do subsolo, por exemplo, foram muito pouco explorados até o início do século XVII de forma extensiva e comercial, muito embora os metais já fossem conhecidos desde a Antiguidade. Com relação aos materiais, o homem começa, já na pré-história, a manipular materiais à base de pedra (Idade da Pedra), realizando adaptações aos formatos com técnicas primárias de lapidação e desgaste, utilizando ferramentas rudimentares. SAIBA MAIS A manipulação de metais parece surgir no ano 4000 a.C., com o cobre e o estanho (e o bronze, uma liga desses dois metais) por se tratar de metais mais “macios” e fáceis de manipular, facilitando seu tratamento térmico pelo fogo. Técnicas de fundição surgiram por volta dessa época. Também, parece que a disponibilidade de seus minérios era mais facilitada em regiões específicas da Ásia. A técnica de fundição do cobre foi rapidamente adotada por se tratar de um processo relativamente simples. O minério de cobre era reduzido com facilidade, utilizando-se matéria-prima carbonatada em um forno devidamente aquecido. Imagem: Shutterstock.com. Antiga instalação metalúrgica. A Idade do Ferro surgiu tardiamente em relação à do Cobre e do Bronze (em torno de 1200 a.C.), por ser mais complexo o domínio das técnicas para sua manipulação e por ter sido considerado, por muito tempo e em muitos lugares, um produto muito precioso. Os minérios de ferro foram utilizados em muitas outras aplicações antes de ser o ferro o protagonista de uma era histórica, inclusive no próprio processo de fabricação do cobre e do bronze. SAIBA MAIS Joias confeccionadas com o denominado ferro sideral, cujo material provinha de meteoros caídos na crosta terrestre, foram muito valorizadas. Os romanos foram, em grande parte, os maiores usuários desse metal. No mais, o uso de outros metais se desenvolveu conforme sua abundância regional, como a prata e o ouro na América. DA ALQUIMIA À QUÍMICA Os conceitos apresentados até aqui, são conceitos empíricos, ou seja, eminentes de observação, em que não apresentavam nenhuma preocupação com a reprodutibilidade do processo, ou de fenômenos. Estas práticas foram utilizadas até a Idade Média, quando houve uma revolução nos métodos de fabricação. Esta revolução foi chamada de Alquimia. SAIBA MAIS A Alquimia pode ser considerada uma prática interdisciplinar que promovia a interação do que hoje conhecemos como Química, Física, Metalurgia e Matemática, com pitadas de Filosofia, Astrologia e toda espécie de misticismo. Esse movimento era motivado, basicamente, por dois grandes objetivos: SINTETIZAR O ELIXIR DA LONGA VIDA Suposto remédio com poderosas propriedades de transformar o homem em um ser imortal. DESCOBRIR A PEDRA FILOSOFAL Artefato a partir do qual qualquer objeto ordinário, principalmente metálico, poderia ser transformado em material mais nobre, essencialmente o ouro. RESUMINDO A Alquimia representava a essência da ambição humana à época de ter uma vida longa e de riquezas. Muito embora a Alquimia fosse conduzida por motivos alheios ao que é a ciência verdadeira, muito do conhecimento acerca das transformações das substâncias, bem como o estabelecimento de processos de síntese e o comportamento de determinadas substâncias, acabou por se consolidar e servir de base para a sistematização do que viria a ser a Química. VOCÊ SABIA Muitos processos utilizados atualmente, como fusão de materiais, formação de ligas metálicas, destilação, filtração e outros processos de separação, tiveram sua origem nesse movimento dos alquimistas. Imagem: Shutterstock.com. Representação de um laboratório de Alquimia. Você já deve estar concluindo que os objetivos da Alquimia não puderam ser atingidos e que isso gerou um cansaço generalizado entre seus praticantes. Mas houve uma guinada que muitos consideram o golpe de separação entre a Química e a Alquimia. O filósofo e cientista irlandês Robert Boyle, no século XVII, já na Idade Moderna, estabeleceu uma sistematização mais séria e embasada de alguns processos e das leis de comportamento de substâncias. Seu trabalho de maior destaque nesse sentido foi a lei dos gases, princípio importantíssimo do comportamento dessas substâncias que relaciona as variações de pressão, volume e temperatura de forma sistemática e reprodutível Imagem: Shutterstock.com. Representação artística de Boyle. Imagem: Morphart Creation/Shutterstock.com. Representação artística de Lavoisier. Disputando com Boyle a posição de pioneirismo e patrono da Química sistemática, muito embora figurando em uma época mais tardia, está o cientista francês Antoine Lavoisier, no século XVIII, considerado por muitos como o pai da Química moderna. QUÍMICA MODERNA A Química atualmente é o ramo da ciência que se propõe a estudar a composição, a estrutura e as propriedades das substâncias, suas transformações, interações e seu relacionamento com a energia. Dessa forma, tentar descrever a amplitude da Química para a sociedade moderna é algo inglório pois não há como fazê-lo, uma vez que tudo que compõe o universo é formado por substâncias químicas. VOCÊ SABIA Através da Química é possível extrair naturalmente produtos utilizados em medicamentos e em diversos outros setores da indústria, bem como é viável a execução de processos de síntese de novas substâncias dos mais diversos tipos para as mais variadas aplicações. Podemos citar, além da indústria farmacêutica, a de combustíveis, de tintas, metalúrgica, de alimentos, têxtil, petroquímica, de higiene pessoal, entre tantas outras. Imagem: Shutterstock.com. Depósito de uma indústria química e a variedadede seus insumos. Dada a vastidão de seu domínio de conhecimento, a Química é segmentada em diversas disciplinas básicas: Química Inorgânica, Química Orgânica, Físico-Química, Química Analítica e Bioquímica. Essas áreas geram o entendimento básico da matéria que conhecemos e conduzem à obtenção de todos os produtos com que temos contato diário. A sistematização do estudo que abrange o escopo da Química parte de entendimentos fundamentais do que é a matéria que compõe o universo, da energia que nos permeia, suas interações, o átomo, a estrutura da matéria, suas reações, a classificação das substâncias – enfim, um encadeamento de ideias e conhecimentos que trilharemos juntos a partir de agora. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. SOBRE O INÍCIO DO PROCESSAMENTO DOS METAIS PELA HUMANIDADE, PODEMOS AFIRMAR QUE? A) Iniciou-se com o ferro, o metal mais abundante da crosta terrestre. B) Começou com o cobre e o estanho por serem fáceis de manipular. C) Restringia-se ao ouro e à prata nas Américas pela sua abundância. D) Se deu na Idade Média, com a Revolução Industrial. E) Foi marcada pela fabricação do bronze que sucedeu a Era do Ferro. 2. QUAL FOI A MAIOR CONTRIBUIÇÃO DA ALQUIMIA PARA A QUÍMICA? A) Deixou a descoberta de todos os elementos químicos e suas propriedades para os químicos modernos. B) Iniciou os estudos dos elementos radioativos. C) Deu um salto no conhecimento científico com o estabelecimento da lei dos gases. D) Gerou grandes nomes da ciência como Boyle e Lavoisier. E) Deixou um legado no que se refere aos processos e técnicas de transformação dos materiais. GABARITO 1. Sobre o início do processamento dos metais pela humanidade, podemos afirmar que? A alternativa "B " está correta. Foram os metais mais abundantemente encontrados e de fácil manipulação, principalmente pela fundição. 2. Qual foi a maior contribuição da Alquimia para a Química? A alternativa "E " está correta. Graças às técnicas laboratoriais desenvolvidas pelos alquimistas foi possível o progresso da Química. MÓDULO 2 Identificar energia, matéria e medidas ENERGIA, MATÉRIA E MEDIDAS MATÉRIA Alguns conceitos fundamentais daquilo que é objeto de estudo da ciência, em especial da Química, são, às vezes, bem difíceis de definir. Isso nos faz entender um pouco dos problemas que os antigos enfrentavam em tentar estabelecer leis e conceitos de coisas com as quais a humanidade sempre teve contato e que, por ser tão quotidianos, acabavam não sendo definíveis. A matéria é uma dessas coisas. Podemos intuitivamente definir matéria como tudo aquilo que é real e palpável, a porção física da natureza. Porém, essa definição se mostra falha pois a energia, que estudaremos um pouco mais adiante, também é real e, de certo modo, pode ser encarada como uma porção física da natureza. Uma definição amplamente aceita dá conta de que matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço. Talvez não consigamos pôr em palavras, mas aquilo que ocupa um lugar no espaço é algo concebível e não nos soa tão ruim. Porém, massa é algo que requer um pouco mais de análise. No entanto, antes de tentarmos entender o que vem a ser massa, precisamos estabelecer alguns outros conceitos. Inicialmente, vejamos o que vem a ser um corpo. Se a matéria é algo maior, que define tudo aquilo que ocupa lugar no universo, físico e tangível, um corpo é somente uma fração desse todo. Lidar com toda a matéria que existe é algo inimaginável. Contudo, com os corpos, a matéria ganha proporções mais adequadas ao trato humano. Indo além da definição de corpo, se essa porção da matéria apresentar uma função específica, então estamos tratando com um objeto. EXEMPLO Um bloco de mármore extraído de uma pedreira é um corpo, uma pequena fração de toda a matéria que existe; porém, se é trabalhado e se torna uma bancada de pia, agora, com uma funcionalidade, esse bloco de mármore se torna um objeto. Imagem: Shutterstock.com. Minério de ferro (corpo) Imagem: Shutterstock.com. Ferramentas de ferro (objetos) Assim, massa é definida como a medida numérica da quantidade de matéria de um corpo ou objeto. EXEMPLO Para visualizarmos esse conceito, tomemos a seguinte comparação: imagine um balde completamente repleto com chumbo (um metal) e outro balde, exatamente igual, repleto de água. Temos dois corpos exatamente iguais em extensão. Porém, fica fácil concluir que o chumbo do primeiro balde tem mais matéria que a água do segundo balde. Atreladas à massa, existem diversas outras propriedades da matéria que podem ser identificadas. Já que tocamos no assunto, entendemos, então, que a massa é uma propriedade da matéria. E mais: entendemos as propriedades como os parâmetros identificadores da matéria. De acordo com o estado de agregação e a composição da matéria, suas propriedades são distintas e os materiais podem ser caracterizados. Voltando à ideia de massa, essa propriedade pode ser medida a partir de um parâmetro denominado inércia. É classicamente definida como a resistência de um objeto ao esforço realizado sobre ele para modificar seu estado de movimento. RESUMINDO Todo corpo tende a permanecer no estado em que se encontra no momento em que sofre a interferência da força que tende a modificar esse estado. Essa relação entre força e movimento é bem-descrita pela brilhante lei do movimento de sir Isaac Newton. Assim, certamente teremos mais dificuldade para levantar do solo (se é que conseguiremos) o balde contendo chumbo do que o balde com água. VOCÊ SABIA Alguns instrumentos se valem desse princípio para realizar a medida de massa de objetos, como é o caso das balanças. Esses equipamentos realizam medições comparativas entre objetos para determinar a massa da amostra analisada a partir de um referencial. Como dissemos, depois de estabelecido o que vem a ser massa, podemos entender algumas outras propriedades diretamente associadas a ela. Um exemplo quase imediato é o volume. Quando fizemos a ilustração dos baldes com chumbo e água, intuitivamente fizemos uma associação entre a quantidade de matéria que ali havia com a extensão desses corpos. E o volume é exatamente isto: a extensão que um corpo ocupa no espaço. Podemos citar, ainda, a: Imagem: Shutterstock.com. IMPENETRABILIDADE Famosa propriedade que impede que dois corpos ocupem o mesmo lugar no espaço. Imagem: Shutterstock.com. COMPRESSIBILIDADE Permite que, em maior ou menor grau, a matéria seja comprimida pela ação de pressão externa. Imagem: Shutterstock.com. DIVISIBILIDADE Faz com que a matéria seja dividida em partes menores sem, contudo, perder traços que a distingue, ou seja, uma barra de alumínio de 1kg quando dividida em outras duas de 500g, continua sendo alumínio nessa nova situação. Todos esses exemplos caracterizam o que conhecemos como propriedades gerais da matéria, ou seja, são inerentes ao fato de todas possuírem a mesma essência e são comuns a qualquer material. Contudo, existem propriedades que são específicas, responsáveis por distinguir um material do outro. Por exemplo: Imagem: Shutterstock.com. COMBUSTÃO Ou seja, a capacidade de reagir com o gás oxigênio (O2) e liberar calor. Isso acontece de várias formas (queima ordinária até a detonação) e distingue os combustíveis. Imagem: Shutterstock.com. ACIDEZ E BASICIDADE Relacionadas com o comportamento de substâncias em meio aquoso e envolve formação de íons específicos (não será o foco do nosso estudo). Imagem: Shutterstock.com. PODER OXIDANTE Que tem a ver com a capacidade de extrair elétrons de outra espécie química, dentre outras. Ainda dentro das propriedades específicas, algumas apresentam um perfil mais físico de atuação, como a solubilidade, relacionada com a capacidade de uma substância se dissociar em outra no estado líquido; os pontos de fusão e ebulição; e a densidade (quantidade de massa em um determinado volume). ORGANIZAÇÃO DA MATÉRIA Toda a matéria que conhecemos e aspropriedades que descrevemos anteriormente são reflexo de sua composição mais íntima, ou seja, de sua estruturação microscópica. Hoje já é de conhecimento de todos que a matéria é constituída de um sistema fundamental que, historicamente, ficou conhecido como átomo. A ideia de átomo sofreu, ao longo de milênios, muitas transformações e, conforme o entendimento humano ia avançando e as capacidades tecnológicas se robustecendo, uma visão mais clara dessa entidade (que na realidade não é a unidade fundamental da matéria pois, sabemos, existe uma diversidade de partículas subatômicas) foi se formando até se chegar no modelo atômico atual. No próximo módulo estudaremos em mais detalhes esse assunto e não iremos, portanto, nos deter muito nele aqui. Porém, vamos nos debruçar mais no entendimento dos aglomerados de átomos que formam a matéria como a conhecemos. Inicialmente, vamos a uma breve visão do que é um elemento químico. Ao conjunto do mesmo tipo de átomos que existem no universo damos o nome de elemento químico. EXEMPLO Todos os átomos com 12 prótons no núcleo formam um grupo denominado elemento químico carbono (C). Qualquer átomo que apresente 92 prótons em seu núcleo pertence ao elemento químico urânio, e por aí vai... Os elementos químicos são representados da seguinte maneira: Imagem: Shutterstock.com. Representação do elemento químico ouro. A organização dos elementos e sua classificação não será foco do nosso estudo, mas, por enquanto, podemos entender o que significa essa simbologia. Todo elemento químico é representado por uma letra maiúscula ou duas letras (sendo a primeira sempre maiúscula) que fazem referência ao nome do elemento em latim. O exemplo da figura representa o elemento ouro, cujo símbolo Au vem do nome latino Aurum. Alguns elementos químicos modernos estão sendo representados por até três letras, mas esse não é o caso dos elementos usuais e estáveis com os quais iremos lidar. COMENTÁRIO Aqui pediremos um pouco de esforço, pois é essencial que você tenha em mente o símbolo dos elementos químicos mais comuns, e isso você pode encontrar em qualquer livro didático de Química. O número menor na figura (79) indica o número de prótons do elemento, também denominado número atômico e o maior (196,967) é a massa atômica do elemento (média ponderada do número de massa de cada isótopo do elemento levando em conta sua abundância na crosta terrestre). ATENÇÃO O número atômico é único para cada elemento e é ele quem identifica a que elemento pertence cada átomo. Visto isso, podemos avançar nossa análise numa linha que vai do micro ao macroscópico. Sabemos o que são átomos e a interação entre eles, mediante ligações químicas, que geram moléculas ou agregados iônicos. Assim, átomos de oxigênio, por exemplo, podem interagir entre si e formar a molécula do gás oxigênio: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal 2 O → O2 Por outro lado, átomos de oxigênio podem interagir, formando ligações químicas e gerando uma molécula de água. Imagem: Roseane Bahiense. O conjunto de moléculas de água forma o que chamamos de substância água, ou simplesmente água. O conjunto de moléculas de O2 caracteriza a substância oxigênio. Da mesma forma, temos a substância – ou simplesmente benzeno, etanol etc. Repare que apesar do gás oxigênio e a água serem, ambos, substâncias químicas, o O2 é formado por átomos do mesmo elemento químico, enquanto a água é formada por átomos de elementos químicos diferentes. Isso faz com que o gás oxigênio seja classificado como uma substância simples, enquanto a água seja considerada uma substância composta, ou simplesmente um composto. ATENÇÃO É importante destacar que certas substâncias são organizadas não como substância simples, apesar de serem formadas por átomos de um único tipo de elemento químico. Exemplo clássico disso são os metais, que apresentam uma rede de átomos metálicos unidos entre si por ligação metálica, caracterizando uma substância elementar. Assim como os elementos químicos são representados por símbolos, as substâncias são representadas por fórmulas. As fórmulas indicam os elementos constituintes da molécula ou agregado iônico, bem como sua proporcionalidade de composição. EXEMPLO São exemplos de substâncias simples e compostas: O2, CO2, NH3, HCl, Ca(OH)2, NaCl, KMnO4 etc. MISTURAS As misturas são muito fáceis de definir pois estamos bem familiarizados com esse termo que, em Química, significa exatamente a ideia que temos de seu significado. EXEMPLO Quando duas ou mais substâncias são colocadas em contato físico em um mesmo ambiente, está caracterizada a mistura. Mas, antes de nos dedicarmos ao entendimento das misturas, vamos caracterizar o que vem a ser uma fase. Fase é definida como uma região de um sistema em que as mesmas propriedades são observadas. EXEMPLO Quando temos um recipiente contendo água líquida pura, ou seja, somente água e nenhuma outra substância, observamos, ao longo de todo esse sistema (porção do universo que está em estudo), que suas propriedades são invariantes, isto é, sempre as mesmas. Porém, se adicionarmos gelo a essa água, teremos duas fases para o sistema – afinal, o gelo apresenta propriedades (volume e densidade, por exemplo) diferentes da água líquida. É curioso constatar que, apesar de água líquida e água sólida serem a mesma substância, quando unidas em um mesmo sistema formam duas fases distintas. Agora, se em vez de gelo adicionarmos óleo de cozinha à água pura, veremos que se acumula na superfície da água. Temos agora um sistema composto de duas fases. No entanto, a adição de etanol (álcool etílico) à água pura gera somente uma fase – ou seja, não seremos capazes de distinguir, por pura observação visual, esses dois componentes. Veja um resumo dessas informações no quadro a seguir. SISTEMA FASES COMPONENTES Água pura 1 1 Água e gelo 2 1 Água e óleo 2 2 Água e álcool 1 2 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal Fica claro, portanto, que existem dois tipos de misturas: Mistura heterogênea Em que facilmente consegue-se distinguir seus componentes. Exemplo: água e óleo, água e areia, pedra e óleo etc. Mistura homogênea Em que não é possível distinguir seus componentes. Exemplo: água e álcool, ar atmosférico – mistura de vários gases etc. As misturas homogêneas são, também, chamadas de soluções. Normalmente se denomina, para soluções: LÍQUIDO + SÓLIDO As soluções podem ser sólidas, líquidas ou gasosas. Porém, se observa que alguns fatores influenciam na formação de misturas homogêneas, ou soluções. A proporção entre os componentes da mistura pode, muitas vezes, determinar seu tipo. EXEMPLO Existe um limite em que o cloreto de sódio se solubiliza em água para formar uma solução. Essa solubilidade depende, também, da temperatura. SOLUTO FÓRMULA SOLUBILIDADE (g/L água) Brometo de sódio NaBr 1.200 Carbonato de cálcio CaCO3 0,013 Cloreto de sódio NaCl 360 Cloreto de magnésio MgCl2 541 Sulfato de magnésio MgSO4 360 Sulfato de cálcio CaSO4 0,68 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal Esses valores de solubilidade apresentados na tabela são a 25°C. Normalmente, a solubilidade dos sólidos aumenta com o aumento da temperatura. ENERGIA Se tivemos dificuldade anteriormente em definir com exatidão o que é matéria, em se tratando de energia a tarefa é muito mais árdua. Aceita-se, em geral, que a energia é a capacidade de se realizar um trabalho ou uma ação. SAIBA MAIS Talvez essa definição esteja reproduzindo a própria etimologia da palavra energia, que deriva do grego equivalente a trabalho, ergos. O fato é que a energia só faz pleno sentido de ser constatada quando da interação entre dois sistemas físicos, ou seja, é algo associado à fluência ou ao trânsito. Percebe-se a atuação da energia mediante alterações que se constatam especificamente em um sistemae no outro. Um ramo da ciência que se preocupa com estudo da energia é denominado termodinâmica. Uma vez que a energia está associada à ideia de se realizar trabalho, podemos dizer que trabalho mecânico é realizado quando um corpo é movimentado em oposição a uma força atuante sobre ele. EXEMPLO Estamos realizando trabalho quando levantamos um objeto a partir do solo em oposição à força da gravidade. É bem verdade que quanto mais nos afastamos dessa força opositora, menos trabalho precisamos realizar, e mais energia teremos “armazenada” para realizar outras tarefas. Essa energia acumulada é normalmente denominada energia potencial e, como depende da posição em que o objeto se encontra a partir da força opositora , ela pode ser descrita matematicamente pela expressão: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal ATENÇÃO É importante lembrar que existem variantes dessa energia potencial que apresentam formas matemáticas um pouco diferentes dessa, mas são derivadas dessa expressão geral, como a energia potencial gravitacional, expressa pelo produto m∙g∙h (massa do corpo, aceleração da gravidade e altura em que ele se encontra). Em oposição à energia potencial, a energia acumulada em corpos que depende somente da posição e não do movimento, podemos verificar outra modalidade de energia, a energia cinética , mais conhecida como a energia do movimento. Vejamos sua expressão matemática: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Repare que a energia cinética é dependente não só do movimento do corpo (velocidade – v), mas, também, da massa que esse corpo possui. EXEMPLO (Ep) (d) (F ) Ep = Fd (Ek) Ek = mv2 2 Sofrer o impacto de uma bola de tênis na cabeça após o saque de um tenista irá causar bastante dor; porém, se ela for disparada à velocidade de um tiro de fuzil, causará um dano muito maior. Fica, inclusive, fácil de entender como uma ave pode causar tantos danos quando se choca contra aeronaves em pleno voo. A energia total, ou pelo menos aquela que dá conta dessas duas contribuições de energia, é conhecida como energia mecânica : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Além de todas essas modalidades de energia citadas, existem muitas outras como a energia elétrica, energia potencial elástica, nuclear, energia química interna, calor etc. ATENÇÃO É importante atentarmos para o termo usado aqui ao nos referirmos às energias que são “modalidade”. Na verdade, a energia do universo é única e constantemente transformada de uma modalidade em outra. Isso é o que prevê o princípio da conservação da energia que afirma que a energia não é criada nem destruída, mas sim transformada. Para exemplificar isso, podemos citar um fato interessante: a munição que apresenta maior eficiência em causar danos a um carro de combate blindado não utiliza explosivo algum. Ela nada mais é do que uma “flecha” metálica, produzida de uma liga de urânio ou tungstênio (o mesmo metal dos filamentos das antigas lâmpadas incandescentes), que é disparada a uma velocidade altíssima (cerca de 1.800m/s). Ao ir até o alvo com essa alta velocidade e uma massa considerável (a liga metálica é muito densa, possui muita massa em um volume pequeno), a energia cinética contida nessa flecha é muito grande, mas vai ao valor zero ao atingir o alvo (sua velocidade zera). O que acontece com toda essa energia acumulada durante o voo da flecha? Ela se perde? (Em) (Em = Ep + Ek) RESPOSTA O princípio da conservação da energia diz que não. Todo aquele grande aporte energético se converte em outra modalidade, que é o calor, gerando os danos observados ao derreter a própria flecha e a blindagem. É impossível listar todas as transformações energéticas que ocorrem na natureza. Isso decorre do fato de que o processo de transformação é muito dinâmico e, a cada momento, os tipos de energia se convertem mutuamente. Porém, podemos citar alguns de maior importância ou mais comuns. EXEMPLO As usinas nucleares transformam a grande energia acumulada nos núcleos dos átomos de determinados elementos em calor que aquece um volume de água, cujo vapor fará girar turbinas para a produção de energia elétrica. Pelos menos três transformações podemos observar nesse processo: A transformação da energia nuclear em calor. O calor transformado em energia mecânica para a rotação das turbinas. A transformação desta em energia elétrica. Os motores dos carros transformam o calor da queima do combustível em energia mecânica para a movimentação do veículo. No mesmo veículo, vemos, também, a bateria transformar a energia química das reações que ocorrem em seu interior em energia elétrica para promover o funcionamento de seus dispositivos. Um deles é o rádio, que transforma essa energia elétrica em energia sonora (energia mecânica das ondas de som). MEDIDAS E O SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES É muito comum, ao assistirmos a filmes ou séries norte-americanas, ouvir algum personagem dizer que a aeronave está a “tantos” pés de altura, ou ainda que eles viajaram “tantas” milhas para se encontrar. Fica difícil para nós, brasileiros, entendermos se aquilo que eles estão dizendo é muita coisa ou não é tanto assim. Podemos até perder o entendimento pleno de parte importante do enredo. Da mesma forma, mas com grau de importância muito maior, as produções científicas se baseiam em unidades de medidas das grandezas com as quais lidam e geram suas conclusões. Fica muito difícil a divulgação e o compartilhamento de informações científicas se não houver uma padronização das medidas dos resultados obtidos para que outros grupos de pesquisa possam reproduzir o experimento ou aprimorar técnicas desenvolvidas ao redor do mundo. Por isso, é importante que o mundo científico “fale a mesma língua” em se tratando de sistemas de unidade de medidas. Ao longo deste tema, tratamos de vários assuntos que, implicitamente, envolviam unidades de medidas: deslocamentos, energia, trabalho, velocidade, massa etc. Cada uma dessas grandezas pode ser medida e sua magnitude dimensionada para fins de utilização e produção de conhecimento. SAIBA MAIS A fim de padronizar as medidas realizadas e facilitar o intercâmbio de informações entre os cientistas de todo o mundo, foi criado, em 1960, na XI Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), o Sistema Internacional de Unidades, conhecido como SI. O SI estabelece um conjunto de sete grandezas, conhecidas como grandezas bases, a partir das quais outras são derivadas e estabelecidas segundo essas grandezas fundamentais. GRANDEZA BASE UNIDADE Tempo Segundo (s) Massa Quilograma (kg) Comprimento Metro (m) Temperatura Kelvin (K) Quantidade mol Corrente Elétrica Ampére (A) Luminosidade Candela (Cd) Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal Evidentemente, muitas outras medidas de grandezas existem e são, também, abrangidas pelo SI. Porém, como já dissemos, são derivadas dessas unidades base. Uma combinação dessas unidades gera unidades de energia como o joule (J), que é estabelecido pela seguinte relação: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Veja outras unidades derivadas: GRANDEZA DERIVADA UNIDADE Força Newton (N) 1J = 1 kg . m 2 s2 Velocidade Metro por segundo (m/s) Aceleração Metro por segundo ao quadrado (m/s2) Volume Metro cúbico (m3) Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal A partir de agora, procuraremos aplicar em todas as nossas unidades utilizadas o sistema SI para estarmos em concordância com o restante do mundo e padronizar todas as nossas análises de dados. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. É UMA PROPRIEDADE ESPECÍFICA DA MATÉRIA O(A): A) Ponto de fusão B) Massa C) Volume D) Energia E) Inércia 2. QUAL A MOTIVAÇÃO PARA A CRIAÇÃO DO SISTEMA INTERNACIONAL DE MEDIDAS? A) Dar preferênciaa um sistema de medida em detrimento a outros. B) Criar grandezas que até então não existiam. C) Unificação dos padrões de resultados internacionais. D) Estabelecer um sistema europeu de medidas. E) Trazer para o Ocidente as pesquisas orientais num mesmo padrão de entendimento. GABARITO 1. É uma propriedade específica da matéria o(a): A alternativa "A " está correta. É uma propriedade que diferencia as substâncias pois são específicas delas. 2. Qual a motivação para a criação do Sistema Internacional de Medidas? A alternativa "C " está correta. Unificar as medidas para facilitar o intercâmbio de informações entre pesquisadores. MÓDULO 3 Descrever a estreita relação entre a Química e os materiais A QUÍMICA E OS MATERIAIS OS MATERIAIS NA MODERNIDADE E A QUÍMICA DOS MATERIAIS Do início do nosso tema, até o fim do módulo 2, podemos perceber que demos um salto milenar na história da ciência, especialmente da Química, e estamos a tratar de assuntos que se distanciam demais daquilo que nos primórdios se entendia como ciência e estudo dos materiais. Uma vez iniciada a exploração de recursos mais variados, a sua utilização, até o início do século XX, era marcada por um ponto comum: baseava-se em princípios não renováveis de utilização. Produtos metálicos eram fortemente enfatizados, lastreados por uma vultosa rede de insumos energéticos. Mesmo os produtos de origem vegetal eram tratados de forma exploratória, e as únicas práticas de consumo racional e de reflorestamento tinham cunho eminentemente econômico de reabastecimento. Em virtude do franco e forte avanço científico-tecnológico, associado com maior conscientização ambiental e de sustentabilidade, a partir do presente século houve uma sucessiva substituição de modos de produção e materiais caros, raros, não renováveis ou estratégicos por novos materiais mais baratos, leves, de maior durabilidade, gerados com insumos renováveis e recicláveis. Sem dúvida, podemos dizer que hoje a humanidade não vive mais uma era de dominância monolítica de um tipo de material como ocorreu no passado, mas vivemos a era de diversos materiais. EXEMPLO Ao entrarmos num automóvel atualmente, por exemplo, encontraremos um painel feito de polímeros. Diversos tipos de plásticos dominam a indústria automobilística – volante, manete do câmbio, a estrutura do próprio painel, retrovisores, forros de porta, só para citar alguns poucos exemplos, são manufaturados em polímero. Os dispositivos eletrônicos deixaram de lado os componentes metálicos pesados e suscetíveis à corrosão em prol dos materiais cerâmicos – seria impossível pensar no desenvolvimento da microeletrônica sem o silício. Os bancos são confeccionados com fibras sintéticas. A pintura é feita com princípios de proteção e durabilidade elevadíssimos. Os aços de alto desempenho atuam como componentes do motor e do sistema de frenagem, direção e suspensão. Imagem: Shutterstock.com. Componente de automóvel confeccionado em fibra de carbono, um dos ícones da era dos novos materiais. A mesma tecnologia do aço está presente até na Medicina, com a fabricação de equipamentos, bisturis e próteses. Enfim, poderíamos ficar aqui elencando todas as possibilidades de materiais à disposição e não conseguiríamos englobar tudo. Vivemos uma época em que não só novas alternativas de materiais são pensadas, mas também em reaproveitamento, combinação, interação e integração deles com outros já bastante conhecidos, gerando materiais compósitos. VOCÊ SABIA Todo esse avanço foi sistematizado já na década de 1970 com o surgimento da Química dos Materiais, uma nova disciplina cujo surgimento foi impulsionado exatamente por essa guinada de pensamento e tomada de consciência da necessidade de se fazer uma nova política tecnológica de trato dos materiais. Associado a isso, avanços nas áreas espectroscópicas, térmicas, de microscopia e de desenvolvimento de novos equipamentos de análise e síntese deram a sustentação e o arcabouço dessa nova linha de pesquisa. Novos processos de síntese, estrutura, propriedades e aplicações dos novos materiais, principalmente daqueles associados com o avanço de diferentes tecnologias, têm obtido contínuo sucesso. SAIBA MAIS A Química de Materiais tem se mostrado uma atividade de relevância no contexto atual e produz inúmeras vantagens em favor do desenvolvimento crescente de uma indústria nacional de forte base tecnológica. COMPOSIÇÃO, ESTRUTURA E PROPRIEDADE Antes de iniciarmos o entendimento dos materiais em si, é preciso, inicialmente, discutirmos acerca de duas modalidades de abordagem dos novos materiais. Num primeiro momento, fica claro que existe uma íntima correlação entre a estrutura e as propriedades de cada material. Aquilo que se observa, como a organização das partículas microscópicas, a distribuição dos átomos na rede cristalina, os defeitos etc., ditará como, macroscopicamente, aquele material irá se comportar. VOCÊ SABIA A área onde a Engenharia mais atua, de posse do conhecimento dessa correlação estrutura- propriedade, é na alteração desse arranjo estrutural ou, ainda, na elaboração de uma nova estrutura de um novo material para atender a uma necessidade ou aplicação específica. Embora o termo estrutura possa parecer bastante amplo e, portanto, vago demais, podemos delimitar sua definição, como já dissemos, como o arranjo interno dos materiais em seus componentes primordiais. Veja as figuras a seguir, elas evidenciam a relação estrutura-propriedade de forma bem clara. Ambas as ilustrações retratam a organização estrutural de materiais compostos exclusivamente por carbonos. Imagem: Shutterstock.com. GRAFITE Observe que a estrutura do grafite está organizada em camadas de arranjos hexagonais de átomos (lamelas) que, dependendo do esforço mecânico exercido sobre essa estrutura, podem deslizar umas sobre as outras. É por esse motivo que o grafite pode ter aplicação como lubrificante sólido. Imagem: Shutterstock.com. BUCKMINSTERFULERENO (C60) É um material composto exclusivamente de carbono, conhecido como buckminsterfulereno (C60), apresenta uma estrutura cristalina bem diversa, constituída de um arranjo em forma de bola oca de 60 átomos de carbono. Esse material já encontrou aplicação, por exemplo, como gaiola “capturadora” de moléculas em seu interior. Podemos citar, também, outros materiais, como as ferritas – materiais cerâmicos magnéticos que encontram diversas aplicações tais como em sistemas eletrônicos de gravação, processadores de computadores e como revestimento absorvedor de radiação – aplicadas em aviões de tecnologia furtiva, stealth, como o bombardeiro norte-americano B2 Spirit. Imagem: Shutterstock.com. Bombardeiro B2 Spirit, americano. O arranjo estrutural das moléculas das ferritas é suscetível à magnetização somente ao longo do eixo principal de sua célula unitária cristalina. Dessa forma, o processo de síntese e conformação do material deve ser pensado para que esse requisito seja atendido e o material final tenha a aplicação desejada. As propriedades dos materiais surgem, normalmente, em resposta a um estímulo externo sofrido tal como o estiramento de um fio de uma fibra sob a ação de tração ou a supercondutividade elétrica sob resfriamento. É comum alguns materiais evidenciarem uma propriedade destacada diante de um estímulo específico e ter resposta nula, ou quase nula, ante outra solicitação. EXEMPLO Uma rocha sofrendo compressão mecânica responderá com quase nenhuma alteração de volume, enquanto a borracha sofrerá alteração de volume prontamente diante do mesmo estímulo. Vemos, com isso, que a borracha apresenta a elasticidade como propriedade enquanto a rocha não. Isso irá definir a utilização de determinado material numa aplicação específica. A partir disso, pode-se identificar cinco classes gerais de propriedades dos materiais: elétricas, térmicas, mecânicas, óticas e magnéticas. Imagem: Shutterstock.com. Separação magnética de componentes de mistura sólida. Uso de uma propriedade em aplicação prática. PROCESSAMENTO E DESEMPENHO Em se tratando de entendimento dos materiais, não só estrutura e propriedades são necessários para o entendimento de sua aplicação e utilização. Dois fatores mais são essenciais para completar o encadeamento do processo e aplicação: o processamento e o desempenho. O processamento irá ditar a estrutura do material obtido. Como já citamos, alguns materiais cerâmicos apresentam propriedades magnéticas. Porém, muitas vezes, essas propriedades só são observadas se houver um perfeito alinhamento dos domínios magnéticos do cristal. Isso deve acontecer na etapa de processamento desse material. É necessário, nesse caso, aquecimento para se obter uma fase suficientemente fluida do material e, aplicando-se um processo de magnetização isotrópica (numa mesma direção) externa, o produto final, sólido e resfriado, apresentará a propriedade desejada. Da mesma forma, processos que geram diferentes tamanhos e contornos de grão no material (é assim que grande parte do material sólido é constituído, o que não será o foco deste tema) acarretam diferentes propriedades óticas, como é o caso do óxido de alumínio. O monocristal natural (safira) de óxido de alumínio é totalmente translúcido, enquanto a diminuição gradual do tamanho do grão faz com que essa transparência também vá diminuindo, linearmente. O desempenho do material, por sua vez, apresenta uma correlação direta com as propriedades. RELEMBRANDO Já vimos que os materiais exibem determinada propriedade de acordo com sua resposta a um estímulo exigido dele. Muito embora uma propriedade seja de destaque, por vezes mais de uma pode ser observada. Assim, sua performance estará associada a essa propriedade de destaque, ou ainda àquelas que podem ser observadas simultaneamente – muito embora nesta última situação possamos constatar que haverá o comprometimento de aplicação do material em determinada linha específica. Como exemplo disso, podemos citar o urânio utilizado na munição que comentamos no módulo 2. Apesar de ser uma excelente escolha para a composição de uma liga, ele apresenta, mesmo na situação de urânio empobrecido (não radioativo), traços do isótopo radioativo, o que compromete sua utilização no que se refere à exposição de pessoas a esse artefato. RESUMINDO Duas propriedades são evidenciadas simultaneamente, porém com certo prejuízo pela ocorrência de uma delas. Portanto, podemos vislumbrar uma relação linearmente dependente entre os quatro fatores que acabamos de analisar. Para além das relações binárias estrutura/processamento e propriedade/desempenho, observa-se um encadeamento maior, em que o processamento adequado irá ditar a estrutura previamente planejada. Consequentemente, propriedades específicas e únicas serão desenvolvidas impactando diretamente no desempenho de um artefato composto por aquele material. Processamento Estrutura Propriedades Desempenho NOVOS DESAFIOS O avanço tecnológico e o estudo dos novos materiais não para e, a cada dia, novidades surgem para melhorar a vida de quem os utiliza e otimizar os processos de fabricação. Vejamos alguns pontos de grande perspectiva de crescimento nessa área. MANUFATURA ADITIVA Certamente você já ouvir falar de impressão 3D. Esse é um tipo de produção aditiva em que se fabricam objetos físicos reais a partir de modelos digitais. O equipamento que realiza esse processo ficou conhecido popularmente como impressora 3D. SAIBA MAIS Na prática, camadas progressivas de materiais são sobrepostas umas às outras até se obter um objeto final acabado. De acordo com o material que se deseja utilizar para a confecção das peças, três técnicas, basicamente, são utilizadas atualmente, como veremos a seguir. MODELAGEM DE DEPOSIÇÃO FUNDIDA Baseia-se no uso de fibras poliméricas fundidas a quente para produzir as peças. ESTEREOLITOGRAFIA Utiliza, diferentemente do método anterior, solidificação de resinas líquidas através de luz ultravioleta. SINTERIZAÇÃO SELETIVA A LASER A sinterização é um processo de consolidação da microestrutura do material por meio de processos de aquecimento controlado e pode utilizar grãos de material cerâmico, metais ou plásticos. Imagem: Shutterstock.com. Peça fabricada pelo processo de manufatura aditiva. A manufatura aditiva é um tipo de processo de fabricação que vem crescendo enormemente nos últimos anos (praticamente a partir de 2014). Nos dois primeiros anos de sua concepção, mais de 275 mil impressoras 3D já foram comercializadas no mundo, compondo uma indústria que já cresceu cerca de 31% nos últimos seis anos. Esse crescimento se deve, em grande parte, às inúmeras vantagens que esse método de produção oferece, como veremos a seguir. VELOCIDADE DE PRODUÇÃO Os modelos produzidos digitalmente podem ser rapidamente gerados, independentemente do método de produção escolhido. Mesmo peças com design complicado podem ser eficientemente geradas e de forma extremamente precisa pelas máquinas 3D avançadas concebidas atualmente. Essa agilidade de produção gera grande quantidade de produtos que podem, rapidamente, ser lançados no mercado. FLEXIBILIDADE DE DESIGN E COMPLEXIDADE Independentemente dos aspectos detalhados do design das peças, as geometrias mais variadas possíveis podem ser geradas por esse processo. Versões mais realistas dos produtos são fabricadas, atingindo de uma maneira melhor do que qualquer outra forma de fabricação os objetivos pretendidos. REDUÇÃO DE CUSTOS Baixíssimo custo de produção, pois se utiliza de materiais facilmente disponíveis e com poucos equipamentos (uma impressora 3D apresenta produtividade superior às máquinas da indústria convencional). Além disso, a alta velocidade de produção, já citada, barateia o produto. VERSATILIDADE Máquinas da indústria tradicional são extremamente restritivas quanto ao tipo de material que utilizam. Normalmente, o maquinário é projetado para um tipo de insumo somente. Já na produção aditiva, é possível fabricar os itens utilizando materiais diferentes em um único processo. CUSTOMIZAÇÃO É possível produzir objetos que atendam às necessidades individuais e personalidades dos clientes. SUSTENTABILIDADE Utiliza bem menos material que a indústria tradicional. Gera, portanto, menos resíduos e demanda bem menos insumos energéticos. Produtos oriundos da manufatura aditiva, mais do que imaginamos, já são uma realidade em diversos aspectos do nosso dia a dia. Próteses já são produzidas por esse método, bem como complicadas peças da indústria automobilística e aeronáutica. Alguns dizem já ser possível produzir automóveis e aeronaves inteiros utilizando essa tecnologia. Os mais ousados preveem a impressão, num futuro muito próximo, de órgãos humanos. “Por que não?”, dizem. Afinal, fazer peças de design complicado já é possível. E como não seria a produção de outra “peça” igualmente sofisticada, como um fígado? Basta a produção de um material conveniente e as filas de transplantes teriam fim. Contudo, por mais que nos pareça absurda a ideia de produção de coisas desse tipo, os limites da ciência e da tecnologia continuam sendo “empurrados” cada vez mais adiante. BIOLOGIA SINTÉTICA Já se consegue produzir fibras tão resistentes como o aço a partir de material biológico de peixes e até os fios de teias de aranha a partir de materiais de laboratório. Esses são avanços do que ficou conhecido como Biologia Sintética, uma área de integração da Biologia com a Física, Química, Engenharia e Tecnologia da Computação. Através dela, é possível gerar novos componentes biológicos ou reestruturar componentes já existentes, como o DNA. SAIBA MAIS O auge do advento dessa nova tecnologia talvez tenha ocorrido em 2010, quando o cientista norte-americano Craig Venter conseguiu projetar no computador uma sequência de DNA de um organismo unicelular e imprimi-lo para, posteriormente, introduzi-lonuma bactéria que se comportava de acordo com aquela sequência sintética de informações produzida artificialmente. Hoje já existe um banco de dados vastíssimo de sequências de DNA para as mais diversas finalidades, prontas para produzir seres capazes de atender a uma demanda específica e quase qualquer tipo de material biológico, como fibras e leite (que já é produzido assim atualmente). De acordo com o mesmo princípio, um filamento hiper-resistente, usado para fabricar de cordas e roupas até produtos de saúde, provém do código de DNA de um peixe que é introduzido numa colônia de bactérias. Elas começam, então, a sintetizar o filamento, dez vezes mais fino que um fio de cabelo, porém mais forte que alguns tipos de aço. RELEMBRANDO Lembram dos órgãos que podem ser produzidos por impressoras 3D? Pois eles entram no rol de possibilidades de produção da Biologia Sintética, em especial na área de Biotecnologia, a fusão entre Engenharia e Biologia. A bactéria de Craig Venter entra nesse grupo, também denominado por alguns como vida artificial. Mas a Biologia Sintética pode atuar num leque mais amplo de aplicações, como armazenamento de informações, design de proteínas, biossensores e enzimas industriais. Muito embora a Biologia Sintética seja um avanço muito bem-vindo e saudado no meio científico e industrial, há que se pôr na balança, também, questões éticas envolvidas nessa linha. Afinal, lidar com vidas, principalmente humanas, é algo bastante delicado. ATÉ QUE PONTO PODEMOS MANIPULAR AQUILO QUE NATURALMENTE JÁ SE ENCONTRA NUM CONTEXTO DE EQUILÍBRIO E ADAPTAÇÃO? É REALMENTE VÁLIDO, EM NOME DO DESENVOLVIMENTO E DO GANHO FINANCEIRO, PERTURBARMOS ARRANJOS BIOLÓGICOS E CRIARMOS ESPÉCIES DE “VIDAS DIGITAIS”? São questões, entre muitas envolvidas nesse assunto, que merecem uma reflexão detida. NANOTECNOLOGIA A nanotecnologia é o ramo tecnológico que lida com estruturas da ordem de 1 a 100 nanômetros (1nm = 10-9m), ou seja, arranjos de dimensões moleculares. Manipular átomos e moléculas com o objetivo de se obter materiais com maior precisão e estruturas mais organizadas é um dos objetivos da nanotecnologia. ATENÇÃO É importante ressaltar que a nanotecnologia não visa à interferência ou à manipulação dos átomos em si, porém objetiva a elaboração de novas e melhores estruturas a partir deles diretamente. A nanotecnologia começou a se desenvolver de forma mais plena na década de 1980, com o advento de equipamentos e técnicas de microscopias eletrônicas avançadas, como microscopia eletrônica de varredura e de tunelamento, e atualmente se encontra em caminhada franca de desenvolvimento, com possibilidades de crescimento animadoras. Imagem: Shutterstock.com. O microscópio eletrônico de tunelamento foi o que permitiu a primeira visualização de um átomo isolado no início daquela década. Mas referências históricas dão conta de um princípio nanotecnológico já durante o império romano: cálices de ouro eram fabricados a partir da manipulação daquele material, que permitia a mudança de cor das taças de acordo com a incidência de luz solar. VOCÊ SABIA O grande físico Richard Feynman, já no final da década de 1950, referiu-se à tecnologia de manipulação dos materiais em nível atômico, mas a popularização do termo só se deveu a Eric Drexler na década de 1980. Por meio da nanotecnologia, é possível desenvolver materiais e componentes mais bem- acabados e de melhor desempenho, pois os materiais trabalhados nas escalas macroscópicas que conhecemos não se comportam da mesma maneira em nanoescala. Materiais trabalhados nessa grandeza podem apresentar melhor desempenho mecânico, ou ganhar propriedades como melhor condução de calor e eletricidade, ficar mais reativos, ou, ainda, apresentar propriedades eletrônicas, magnéticas e óticas mais refinadas. Imagem: Shutterstock.com. Ilustração de nanotubos de grafeno. Mas como é possível manipular os átomos de tal forma a se obter dispositivos funcionais que se desejam? Drexler e seus colaboradores propuseram a ideia de um montador universal ou molecular, uma máquina de tamanho bastante reduzido capaz de organizar átomos e moléculas de acordo com instruções dadas. Uma vez havendo a possibilidade de se construir esse aparelho, ele teria a capacidade de construir qualquer objeto possível, incluindo vários outros montadores para executar determinada tarefa – por exemplo, a construção de várias toneladas de um nanomaterial. Porém, a construção de um montador molecular ainda está longe de ocorrer, pois modelagens quânticas complexas se fazem necessárias para a manipulação individual de átomos. Atualmente, o que fazemos é a manipulação em escala nano a partir de processos químicos usuais em laboratório e tratamentos específicos dos materiais para garantir, na escala nanométrica, a obtenção da estrutura desejada. Dessa forma, são obtidos produtos e tecnologia já utilizados, como os já citados fulerenos e os nanotubos de grafeno – ambos alótropos do carbono com disposição dos seus átomos em hexágonos em forma de uma bola ou de tubos infinitos, respectivamente. VOCÊ SABIA Esses materiais encontram grandes aplicações industriais, na construção civil e na indústria eletrônica. Na indústria farmacêutica, encontram-se os nanofármacos, ou fármacos de liberação controlada, que são moléculas nanométricas capazes de conduzir princípios ativos (o material que, efetivamente, é o atuante no medicamento) e fazer com que o fármaco seja liberado no ambiente fisiológico adequado nos tecidos-alvo específicos, minimizando os efeitos colaterais da droga utilizada. Um problema ainda difícil com relação à nanotecnologia é como lidar com seus resíduos. Uma vez que são partículas extremamente pequenas, elas são facilmente dissemináveis nos ambientes, principalmente através do ar. Maneiras eficientes de se eliminar esse material ainda não são adequadas e sua impregnação promove riscos de contaminação, dependendo do material contaminante. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. QUAL A RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA E PROCESSAMENTO? A) O processamento não interfere em nenhum aspecto da estrutura do material. B) A estrutura do material gera diferentes processamentos que a indústria irá seguir. C) Somente dois tipos de processamento são responsáveis por todas as alterações de estrutura que se conhece. D) O processamento dita o tipo de estrutura que o material terá. E) Estrutura está inversa e exponencialmente relacionada com o processamento. 2. COM RELAÇÃO À MANUFATURA ADITIVA: A) Constitui-se num método de produção tradicional já praticado pela indústria há décadas. B) Caracteriza-se pela produção, em camadas, de produtos a partir de um modelo digital. C) Tem como seu principal ponto fraco a baixa velocidade de produção. D) Apresenta a principal vantagem de ser extremamente restritiva com relação à complexidade do projeto. E) Ainda não está em funcionamento na indústria mundial. GABARITO 1. Qual a relação entre estrutura e processamento? A alternativa "D " está correta. De acordo com o processamento adotado, os materiais terão as mais variadas estruturas. 2. Com relação à manufatura aditiva: A alternativa "B " está correta. Permite a fabricação a partir de um arquivo computacional de qualquer objeto com velocidade, versatilidade e baixo custo. CONCLUSÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste tema, vimos os primórdios do estudo dos materiais, desde os primeiros movimentos no intuito de se obter objetos práticos de uso até o estabelecimento de metodologia sistemática para se aplicar tais materiais. Vimos também como se estabeleceu a Alquimia que, apesar de seu cunho místico e seus objetivos um tanto quanto duvidosos, conseguiu abrir caminho no sentido de se ter um estudo mais organizado de manipulação de recursos naturais. Entendemos como os materiais auxiliam na vida humana, os avanços que foram obtidos com a pesquisa de novos componentes de estruturas modernas, bem como as relações de sua organizaçãomicroscópica interna, além da relação direta entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho, e como esses assuntos se relacionam entre si. Por fim, demos uma passada nas perspectivas que a ciência dos materiais nos traz em termos de explorar novas formas de manufatura e pesquisa e como as fronteiras das pesquisas tecnológicas têm avançado rapidamente para estabelecer metodologias e produtos completamente inimagináveis há pouco tempo na história humana. AVALIAÇÃO DO TEMA: REFERÊNCIAS ATKINS, P. A.; JONES, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2001. CALLISTER JR., W. D. Materials science and engineering an introduction. 4. ed. New York: John Wiley and Sons, 1997. RUSSEL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. vol. 1 e 2. EXPLORE+ Para saber mais sobre os assuntos tratados neste tema: Busque informações sobre a técnica de manufatura subtrativa em livros e sites. Visite o site Inovação Tecnológica para atualizações interessantes sobre o tema. CONTEUDISTA Marco Aurélio Souza de Oliveira CURRÍCULO LATTES javascript:void(0);
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