Ana Cristina Facundo de Brito
Daniel de Lima Pontes
Indústria Química e Sociedade
A indústria na era dos nanomateriais
Autores
aula
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Divisão de Serviços Técnicos
Catalogação da publicação na Fonte. Biblioteca Central Zila Mamede – UFRN Coordenadora da Produção dos Materiais
Vera Lucia do Amaral
Coordenadora de Revisão Giovana Paiva de Oliveira
Coordenador de Edição Ary Sergio Braga Olinisky
Projeto Gráfi co Ivana Lima
Revisores de Estrutura e Linguagem Eugenio Tavares Borges Janio Gustavo Barbosa Jeremias Alves de Araújo José Correia Torres Neto Luciane Almeida Mascarenhas de Andrade Thalyta Mabel Nobre Barbosa
Revisora das Normas da ABNT Verônica Pinheiro da Silva
Revisores de Língua Portuguesa Cristinara Ferreira dos Santos Emanuelle Pereira de Lima Diniz Janaina Tomaz Capistrano Kaline Sampaio de Araújo
Revisoras Tipográfi cas Adriana Rodrigues Gomes Margareth Pereira Dias Nouraide Queiroz Arte e Ilustração Adauto Harley Carolina Costa Heinkel Hugenin Leonardo Feitoza Roberto Luiz Batista de Lima
Diagramadores Elizabeth da Silva Ferreira Ivana Lima
José Antonio Bezerra Junior Mariana Araújo de Brito Priscilla Xavier
Adaptação para Módulo Matemático Joacy Guilherme de A. F. Filho Governo Federal
Presidente da República Luiz Inácio Lula da Silva
Ministro da Educação Fernando Haddad
Secretário de Educação a Distância Carlos Eduardo Bielschowsky
Reitor José Ivonildo do Rêgo
Vice-Reitora Ângela Maria Paiva Cruz
Secretária de Educação a Distância Vera Lucia do Amaral
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Apresentação
Você estudou na disciplina de Química dos Materiais (Aula 8 – Nanomaterias), sobre nanomateriais. Agora iremos conhecer suas aplicações nas mais diversas indústrias. Esse é um material que surgiu há pouco tempo com um enorme potencial de aplicação nas mais diversas áreas, na indústria não poderia ser diferente.Objetivos
Conhecer a aplicação de alguns tipos de nanomateriais nos diversos tipos de indústria.
Entender seu potencial de uso nos mais diversos setores da sociedade.
Nanomateriais
O
s nanomateriais hoje fazem parte de um termo comumente vinculados em revistas e até nos noticiários, é uma ciência que utiliza materiais em escala nanométrica, conhecida com a ciência dos átomos, pois é capaz de manipular átomos e moléculas. Sua escala de tamanho é nanométrica (nm), o que corresponde a 10-9 m, podemos compará-lo ao diâmetro de um fi o de cabelo que é 100.000 vezes maior que um nanômetro. Os átomos possuem a dimensão subnanométrica e algumas moléculas, como por exemplo, as proteínas possuem tamanho superior a um nanômetro. O tamanho de interesse para a nanociência e a nanotecnologia está entre 100 nm ao nível atômico (0,1 nm). A fi gura 1 mostra a evolução histórica dos materiais utilizados pelo homem ao longo da sua evolução, perceba que conforme o homem aumentava seu conhecimento científi co ocorre um ganho signifi cativo na sua qualidade de vida.A maior parte das aplicações dos nanomateriais vem de uma evolução, ao longo do tempo, das necessidades industriais de produção. Como por exemplo, as nanopartículas de TiO2 e
ZnO encontradas atualmente nos protetores solares, elas possuem a capacidade de refl etir
a radiação UV, nos protegendo dos seus efeitos nocivos, mas são transparentes na região do visível, ou seja, nós não somos capazes de visualizá-los.
A literatura fala de nanopartículas, nanocristais, nanofios, nanofitas, nanotubos e nanocompósitos, todos os materiais na escala nanométrica com aplicações especifi cas. A grande vantagem desses materiais, além do seu tamanho, lógico, é a potencialização das suas propriedades físicas e químicas, o que proporciona grande interesse e uma gama de possibilidades de aplicações. Dentre elas, podemos citar a nanobiotecnologia, os nanofármacos, a nanoeletrônica, a gravação e leitura magnética.
Não pense que isso está muito distante da nossa realidade, pois a adição de nanopartículas em pneus, com o objetivo de diminuir seu desgaste e aumentar sua vida útil já ocorre nos carros de Fórmula 1, é uma tecnologia ainda cara, mas daqui a alguns anos chega a todos. Principalmente motivada pela preservação do meio ambiente, a fabricação de pneu com maior durabilidade signifi ca uma menor produção de lixo e poluição.
Na nanoescala dois materiais têm proporcionado bastante interesse por parte dos pesquisadores: os nanotubos e os nanofi os. Entre aqueles podemos destacar os nanotubos cobertos de carbono que foram descobertos em 1991. Eles possuem diâmetro que vão de nanômetros a micros. Os nanotubos de carbono são formados por rolos de grafi te em forma de cilindro e apresentam propriedades mecânicas e elétricas extraordinárias. A fi gura 2 mostra nanotubos de carbono com diferentes arranjos.
Figura 2 – Nanotubos de carbono
Empresas de informática e computação como a IBM, INTEL e HP têm investido fortemente no desenvolvimento de memórias lógicas baseadas em nanotubos de carbono, nanofi os de ouro e nanofi tas de semicondutores com o objetivo de miniaturizar cada vez mais os circuitos eletrônicos.
Estima-se que os investimentos na área de nanotecnologia no mundo cheguem a US$ 2,27 bilhões por ano em pouco tempo. Entre os anos de 1998 a 2000 foram publicados mais de 3.500 artigos científi cos e aproximadamente 300 patentes depositadas. Os países desenvolvidos,
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como os Estados Unidos, possuem cerca de 50 empresas para desenvolver e produzir materiais nanoestruturados.
Vamos estudar nos tópicos a seguir sobre as diversas aplicações desses materiais nos mais diversos ramos da indústria, a fi m de conhecermos suas diversidades de materiais que podem e irão surgir em poucos anos.
O que são nanomateriais?
Qual a aplicação tecnológica desses materiais?
O que são nanotubos de carbono?
Os materiais inteligentes
Materiais inteligentes são estruturas capazes de se modifi car quando o ambiente ao redor sofre alteração, essas modifi cações são detectadas por meio de sensores. Esses materiais devem ser capazes de perceber e corrigir uma determinada alteração como, por exemplo, uma variação da temperatura ou de vibração.
Encontramos diversas aplicações como, por exemplo: nos motores de carros, equipamentos eletrônicos e aparelhos de CD. A medicina vem realizando muitas pesquisas nessa área, buscando desenvolver equipamentos que possam ser mais sensíveis à detecção e localização de tumores, correções de problemas na coluna e próteses ortopédicas, entre outros.
As aplicações dos materiais inteligentes possibilitam uma gama de aplicações. Na construção civil tenta-se utilizar esse tipo de material na construção de pontes e prédios que sejam capazes de alterar sua coloração no caso de peso excessivo ou em condições em que a segurança seja colocada em risco, auxiliando na prevenção de acidentes.
Podemos ver esses materiais já disponíveis no mercado através das lentes fotocromáticas – basta observar as propagandas desse tipo de material em lentes para óculos – que permitem um ajuste na transparência de acordo com a intensidade da luz, escurecendo em ambientes claros e clareando em ambientes escuros. Algumas marcas de automóveis também utilizam esse material nos vidros de seus carros.
Empresas como a BMW utilizam esses materiais também na pintura de seus carros que podem exibir as colorações bronze, azul-acinzentado ou verde, de acordo com a incidência de luz do meio. Os bancos também possuem a capacidade de se ajustar à forma do corpo de quem se senta nele, sem qualquer regulagem, apenas através da pressão exercida sobre o acento.
A indústria de esportes também vem investindo nesses materiais, a produção de raquetes de tênis com materiais inteligentes em que a energia do impacto da bola é utilizada para aumentar o desempenho do atleta já é comercializada.
O Japão é conhecido pelos tremores de terra e muitos pesquisadores e empresas vêm desenvolvendo projetos direcionando a aplicação de materiais inteligentes na construção de prédios e pontes, para que estes possam responder aos movimentos provocados pelos tremores de terra.
São diversas as possibilidades de aplicação desses materiais, citamos algumas das milhares, muitas delas podemos ainda nem imaginar, mas com certeza no futuro estaremos diante deles para facilitar ainda mais a nossa vida.
Materiais magnéticos
Os materiais magnéticos inserem-se na indústria de gravação magnética que cresce à taxa de 17% ao ano. Na área de eletroeletrônicos, os materiais magnéticos só são ultrapassados pelos semicondutores, entretanto estes dois materiais possuem a mesma importância econômica.
O lucro da indústria brasileiro de materiais magnéticos é de aproximadamente R$ 100 milhões anuais. Esses materiais são utilizados nos motores elétricos, balanças eletrônicas, sensores e componentes mais sofi sticados da indústria de computadores e de telecomunicações.
Estes dois últimos setores da indústria necessitam e investem muito na pesquisa e desenvolvimento desse tipo de material, pois dependem disso para produzir melhores produtos, de acordo com a exigência da sociedade, como motores que consumam menor energia. Como exemplo, podemos citar os eletrodomésticos como a geladeira, onde o motor é projetado para consumir uma menor quantidade de energia. Quem, ao trocar uma geladeira velha por uma nova, não percebeu a economia na conta de energia elétrica? Isso é provocado através da efi ciência do motor. Os aparelhos de ar condicionado é outro exemplo bem comum.
Células solares
A busca por fontes de energias alternativas vem desafi ando os cientistas nos últimos anos a investir no aperfeiçoamento de células solares com maior produção e baixo custo. Assim, os cientistas vêm, nos últimos 10 anos, aperfeiçoando as células de silício.
As células de silício são dispositivos eletrônicos semicondutores que utilizam o efeito fotovoltaico para produzir eletricidade a partir da luz solar, sendo conhecidas comumente como células solares (Figura 3).
Figura 3 – Ilustração de uma célula solar e sua espessura
São várias as suas aplicações, dentre elas podemos citar a iluminação em locais que a rede elétrica normal não tem atendimento, telefones de emergência, estações meteorológicas e até na rede de energia convencional.
As pesquisas com células solares tentam substituir o silício utilizado nelas ou aperfeiçoá-las, para tanto se utilizam da nanotecnologia. Existem estudos com células solares orgânicas, formadas de pequenas moléculas à base de carbono, resultando em um material ultrafi no e fl exível que pode ser utilizado em qualquer superfície. Outra pesquisa produz células elétricas a partir de proteínas retiradas de folhas de espinafre como substituintes das células de silício. Um grupo de pesquisadores americanos descobriu uma forma de produzir células solares plásticas de baixo custo e fl exíveis, possuindo a vantagem de serem utilizadas em qualquer superfície, podendo fornecer energia para dispositivos eletrônicos portáteis.
Orbital molecular antiligante
Orbital molecular ligante
Átomo de hélio 1 Átomo de hélio 2 Molécula He2 Aumento de energia Diminuição de energia
As propriedades
eletrônicas dos nanomateriais
As propriedades eletrônicas que despertam interesse nos nanomateriais são provenientes das suas ligações químicas. Uma ligação química tem sua origem na superposição (combinação) dos orbitais atômicos (região com maior probabilidade de se encontrar um elétron) que é ocupado por, no máximo, dois elétrons.Quando esses orbitais atômicos estão localizados no espaço intermolecular, seus elétrons sofrem atração mútua pelos dois núcleos ao mesmo tempo. Assim, ocorre a ligação entre os átomos formando agora os orbitais moleculares. Sempre que ocorre essa combinação de orbitais atômicos, obtém-se uma maior densidade eletrônica nesta região que é chamada de orbital molecular ligante.
Também existe outra possibilidade matemática para uma função de onda, que é a combinação por diferença entre os dois orbitais atômicos: subtrai-se sua densidade eletrônica e deixa a região entre os dois núcleos de mais alta energia, assim este orbital molecular promove uma separação dos átomos, sendo chamado de orbital molecular antiligante. A fi gura 4 mostra o diagrama de energia com os orbitais moleculares ligantes e antiligantes para a molécula de hélio. Lembre-se que este conceito já foi estudado na disciplina de Arquitetura Atômica e Molecular, qualquer dúvida quanto à teoria, busque seu material, aqui iremos relembrar alguns pontos importantes para explicar as propriedades eletrônicas dos nanomateriais.
Figura 4 – Representação dos orbitais atômicos e moleculares da molécula do gás hélio
Segundo a teoria dos orbitais moleculares, a combinação de “x” orbitais atômicos irá originar “x” orbitais moleculares. Dessa forma, à medida que o número de átomos aumenta, o número de orbitais que interagem cresce proporcionalmente, multiplicando o número de
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Energia Energia Energia
Banda de condução Banda de Valência Banda de condução Gap Energia Metal Semicondutor Banda de Valência Banda de condução Gap Energia Insulador Banda de Valência orbitais moleculares até formar uma banda contínua, esse é o modelo da teoria de bandas. Os níveis de energia ocupados são as bandas de valência e os espaços vazios, as bandas de condução. A condutividade depende da separação entre as suas bandas de energia, as bandas de valência estão preenchidas e as de condução estão vazias (Figura 5).
Figura 5 – Representação da diferença entre os níveis
de energia identifi cando o material em condutor, semicondutor e isolante
Como funcionam os materiais condutores?
Qual a principal diferença entre um material condutor, semicondutor e isolante ?
Como é possível melhorar a condutividade elétrica de um material semicondutor ou isolante?
Uma forma de aumentar a condutividade dos semicondutores é introduzir elementos dopantes que apresentam níveis de energia intermediários à banda cheia e à vazia. Esse processo leva ao aumento da condutividade elétrica desses materiais semicondutores. O desenvolvimento de nanomateriais que permitam a construção de circuitos eletrônicos cada vez menores traz uma gama de aplicações desde os nanorôbos que lutaram no nosso organismo contra doenças, como o câncer até na área de informática, no acúmulo maior de informações.
Vidros autolimpantes
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nanotecnologia já tem um enorme impacto nas atividades da indústria multinacional como, por exemplo, a BASF. Há muitos anos, a empresa é a principal produtora de absorventes de ultravioleta baseados em nanopartículas de óxido de zinco. As suas indústrias desenvolvem novas nanoestruturas, polímeros hiper-ramifi cados para tintas de impressão, revestimentos automotivos, sistemas metal-orgânico para a armazenagem de hidrogênio em células a combustível e fi lmes autolimpantes.Outras empresas no mundo, principalmente na Europa, têm investido na área de recobrimento de superfície com fi lmes de nanoparticulas desenvolvidos com várias fi nalidades, como a produção de janelas à prova de sujeira, portas contra incêndio, vidros inteligentes cuja cor e transparência adaptam-se à luminosidade externa, espelhos antirrefl exivos, materiais ópticos menos susceptíveis a riscos, dentre outros.
A produção de vidros autolimpantes já está sendo realizada em algumas indústrias no Canadá, Tóquio e Japão. É aplicado um revestimento de 50 nm de nanoparticulas de dióxido de titânio (TiO2), produzido pela decomposição de vapores químicos diretamente sobre a superfície do vidro. As nanoparticulas atuam como fotocatalisadores, absorvendo a parte mais energética da luz e transferindo para o material orgânico impregnado sobre ele (a sujeira), iniciando uma cadeia de reações que leva à decomposição dos resíduos em produtos gasosos e água.Ao mesmo tempo, a fi na camada de dióxido de titânio reduz a pressão superfi cial, favorecendo o escorrimento da água produzida e a sua remoção.
A empresa japonesa Nippon está produzindo vidros antiembaçantes através do recobrimento da superfície com nanopartículas de dióxido de titânio. Em breve, com a queda dos preços da produção, esses vidros estarão presentes no nosso dia a dia e nos livraremos do incômodo do embaçamento provocado pela condensação do vapor d’água.
Indústria farmacêutica
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indústria de cosméticos movimenta bilhões em todo o mundo. Na tentativa de aumentar seu lucro ela vem investindo fortemente na pesquisa de nanopartículas. As nanopartículas hoje são utilizadas em cremes para a pele e condicionadores de cabelo que proporcionam maior penetração dos princípios ativos na pele ou maior efi ciência de remoção de resíduos.Algumas empresas estão utilizando nanotecnologia para desenvolver cremes com estrógeno, com o objetivo de aliviar os problemas da menopausa nas mulheres.
Resumo
Nesta aula, estudamos os principais avanços nos diversos ramos da indústria, indicando suas principais aplicações e perspectivas quanto à utilização. Em alguns casos, os nanomateriais estão longe do nosso cotidiano e em outros, bastante presentes, como no caso das lentes dos óculos que são sensíveis à luz e em eletroeletrônicos cada vez menores. No entanto, vimos que ainda é cedo para termos a dimensão da aplicação desse material.
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Outras empresas farmacêuticas já utilizam nanocristais para rotular ou identifi car moléculas através da emissão de luz fl uorescente, permitindo avaliar a distribuição dos medicamentos nos tecidos e órgãos.
São inúmeras as utilizações de nanomateriais na indústria de cosméticos, citamos apenas algumas aplicações de ponta.
Autoavaliação
Qual a aplicação dos nanomateriais? Cite pelo menos três?
Como os nanometeriais podem ser utilizados para a produção de energia alternativa?
Cite a aplicação desse material na indústria farmacêutica?
Como funcionam os vidros autolimpantes?
Anotações
Referências
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA QUÍMICA – ABIQUIM. Disponível em: <www. abiquim.com.br>. Acesso em: 23 out. 2009.
CARRARA JÚNIOR, E.; MEIRELLES, H. A indústria química e o desenvolvimento do Brasil. São Paulo: Metalivros, 1996.
INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA – IBGE. Dados estatísticos da
indústria brasileira. Rio de Janeiro, 2003.
WONGTSCHOWSKI, P. Indústria química: riscos e oportunidades. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2002.
