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Novos Materiais

No coração da estrutura

Lentamente, o enorme jumbo, repleto de passageiros e carga, começa a rolar pela pista. Ganha velocidade até que, finalmente, suas rodas deixam o solo e o avião eleva-se no ar. Começa uma longa viagem, sem escalas, rumo à Europa ou à América do Norte. Há 30 anos, uma viagem dessas levaria muito mais tempo. Os aviões eram mais lentos, tinham alcance inferior, fazendo várias escalas antes de chegar ao seu destino, consumiam mais combustível e transportavam muito, muito menos passageiros. Esse enorme progresso da tecnologia se deve, em grande parte, à ciência dos materiais. Os aviões comerciais conseguem essa performance, em grande parte, porque são feitos de ligas cada vez mais leves e resistentes. Se fossem feitos do mesmo aço do seu automóvel, teriam autonomia de vôo muito menor.

As ligas leves de alumínio usadas nos aviões comerciais estão entre os exemplos mais citados das recentes conquistas da ciência dos materiais. Mas não estão sozinhas. Em praticamente todas as áreas, estão aparecendo novos materiais, que aliam resistência cada vez maior com peso cada vez menor. Para chegar a isso, é necessário um enorme esforço de pesquisa. Inclusive na redução das dimensões de alguns dos componentes das estruturas internas dos materiais, de tal maneira que, em vez de mícrons, eles passam a ser medidos em nanômetros, a bilionésima parte do metro. Alterando-se a microestrutura dos materiais e combinando novos compostos de diversas formas, chega-se a novos materiais, cada vez mais fortes e resistentes. Como, por exemplo, os materiais nanoestruturados.

Por enquanto, essas novas ligas super-resistentes ainda não têm aplicação comercial. Mas isso não impede que o desenvolvimento dos materiais nanoestruturados seja uma das áreas mais importantes da pesquisa fundamental e tecnológica dos últimos anos. Investigadores brasileiros estão no mesmo ritmo dos maiores centros mundiais de pesquisa na área, como Estados Unidos, Alemanha e Japão, especialmente na área de Engenharia de Materiais. Há cerca de dez anos, pesquisadores do Departamento de Engenharia de Materiais do Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) desenvolvem importantes trabalhos para a obtenção de novas microestruturas não convencionais.

Um dos exemplos desses trabalhos é o projeto temático Transformações de fases em nanoestruturas e desenvolvimento de nanocompósitos cerâmicos e metálicos, iniciado em setembro de 1996. Coordenado pelo professor Walter José Botta Filho, com a colaboração dos professores Roberto Tomasi, que age como vice-coordenador, e Cláudio Shyinti Kiminami, o grupo da UFSCar pesquisa metais e cerâmicas e já chegou a vários nanocompósitos, como, por exemplo, em ligas de alumínio com valores de propriedades mecânicas equivalentes aos de aço de alta resistência. Para isso, conta com um financiamento da FAPESP da ordem de R$ 452,4 mil.

“Se levarmos em consideração que o aço pesa três vezes mais que o alumínio, o ganho com as novas ligas é enorme”, diz o professor Botta. A escolha do alumínio não se deu por acaso. É um dos metais mais abundantes da face da Terra, sendo mais encontrado até que o ferro, é relativamente barato e, de saída, já é bastante leve. Os novos materiais pesquisados em São Carlos ainda não foram produzidos em grande volume. O custo disso seria altíssimo. Mas sua simples obtenção e o fato de eles estarem disponíveis, se um dia forem necessários, já é um feito e tanto.

Grãos ultrafinos
Para a obtenção dos novos materiais, os pesquisadores tentam controlar todas as etapas de desenvolvimento da microestrutura, incluindo a própria composição dos materiais. Na microestrutura, ou estrutura interna dos materiais em nível microscópico, existem componentes cristalinos, presentes na maioria dos metais, ou amorfos, muito encontrados em vidros e plásticos. Esses componentes podem aparecer em volumes homogêneos e contínuos, como grãos, partículas, fibras, plaquetas e agulhas, entre outras formas. O tamanho varia de poucos micrômetros a poucos milímetros. A novidade, nos materiais nanoestruturados, é a capacidade de reduzir o tamanho de alguns dos componentes estruturais a partículas ainda menores, os nanos. Eles então podem ser combinados, de modos diferentes, para desenvolver novos materiais com novas propriedades.

“Está comprovado que o refino dos grãos, no caso dos materiais cerâmicos, proporciona ganhos em resistência à abrasão, em dureza e em resistência ao impacto”, diz o professor Botta. “Ou seja, uma peça, nessas condições, terá durabilidade muito maior”, completa. Por que isso acontece? As explicações ainda não são muito claras. “Os mecanismos associados às melhoras de propriedades desses materiais ainda estão em discussão”, continua. “Talvez haja uma contribuição importante no processamento de pós-nanométricos, ou ultrafinos, devido à elevada área superficial.”

Um artigo publicado na revista científica Nature em abril de 1994 mostra que as ligas de alumínio nanoestruturadas têm diversas vantagens com relação à resistência quando comparadas com ligas de alumínio normais. “As ligas nanoestruturadas obtidas por meio do resfriamento rápido têm resistência extraordinariamente alta, devido à presença de um volume entre 20% e 25% de partículas de alumínio cristalino numa matriz amorfa”, indica a revista.

Ligas de ferro
Além das ligas de alumínio super-resistentes, os pesquisadores de São Carlos também estão desenvolvendo novas ligas à base de ferro. Chegaram a novas ligas com propriedades magnéticas consideradas excelentes. “Agora, estamos buscando novas composições, mais resistentes aos efeitos da corrosão”, diz o professor Botta. Esses materiais podem ter aplicação prática mais rápida. Eles possuem grande potencial para a fabricação dos magnetos moles, os sensores magnéticos usados para proteger CDs, livros e outros produtos contra furtos em lojas, bibliotecas, etc. “Esses sensores já são feitos com ligas de ferro amorfas, mas já se comprovou que, obtidos de uma liga submetida ao processo de nanocristalização, suas propriedades são bem melhores”, afirma o pesquisador.

Na área das cerâmicas, a equipe de São Carlos já controla processos para a obtenção de diversos tipos desses materiais, inclusive na forma de pós ultrafinos. “Agora, estamos em uma fase adiantada do estudo da sinterização (o processo pelo qual as partículas são consolidadas) desses pós”, revela o professor Botta. Esses nanocompósitos têm enorme potencial de utilização, devido à sua alta resistência a temperaturas muito elevadas e ao desgaste. Podem ser usados, por exemplo, na fabricação de ferramentas de corte, a partir de uma mistura de diversos componentes cerâmicos e metálicos. As ferramentas feitas dessa maneira serão muito mais resistentes e duráveis que as atualmente utilizadas.

Para chegar a esse ponto, os pesquisadores primeiro produzem materiais que não poderiam ser obtidos através de processos convencionais. Então, são estudadas as características desses materiais, além das novas fases que vão sendo formadas quando são dadas condições para o seu retorno à condição de equilíbrio. Um exemplo é o trabalho com o vidro metálico (ou fitas metálicas), uma das principais áreas de aplicação do projeto temático.

Numa situação normal, ou estável, o metal é cristalino. Mas, quando se submete um metal em estado líquido a um processo não convencional, como o resfriamento rápido, ele pode transformar-se num metal amorfo, assumindo, assim, uma condição metaestável com relação à sua condição de equilíbrio. Aliás, casos semelhantes ocorrem no dia-a-dia. Se você esquecer uma latinha de cerveja no freezer, a bebida pode até permanecer em estado líquido, mesmo abaixo da temperatura de solidificação. Mas basta um choque mínimo, uma aplicação qualquer de energia, para que ela congele, ou seja, passe para a sua condição de equilíbrio para as condições de temperatura imperantes.

O resfriamento rápido vem sendo bastante usado em São Carlos para obter fases amorfas dos metais. Para produzir pós, são usados outros processos, como a atomização, a moagem de alta energia e a precipitação química. Depois disso, como segundo passo, os pesquisadores caracterizam os resultados obtidos em cada processo, usando a difração dos raios X e a microscopia eletrônica para medir os tamanhos das partículas, observar suas formas e analisar sua composição.

Última geração
Poucas dessas atividades seriam possíveis sem o uso de equipamentos cada vez mais sofisticados. O enorme desenvolvimento da microscopia eletrônica nas últimas décadas, por exemplo, foi essencial para o estudo dos materiais nanoestruturados. Um microscópio óptico pode aumentar um objeto cerca de duas mil vezes; um microscópio eletrônico de alta resolução pode ampliá-lo até um milhão de vezes. As pesquisas com novos materiais envolvem ainda outros equipamentos de última geração, como fornos de alta temperatura para sinterização a vácuo, sistemas de análise térmica, moinhos para a fabricação de pós, aparelhos do tipo melt-spinning para solidificação rápida e prensas a quente.

“A partir daí”, conta o professor Botta, “conhecendo as nanoestruturas metaestáveis, estudamos a volta do material ao equilíbrio, à sua condição estável”. A forma como ocorre o retorno e o controle da microestrutura final estão entre as principais preocupações dos pesquisadores. Existem diversas técnicas para esse trabalho. Mas, para a compreensão das transformações que vão ocorrendo durante o retorno ao equilíbrio, uma, a calorimetria diferencial de varredura, tem relevância particular.

Para o coordenador, esseé o momento mais importante do trabalho. Entendendo as transformações que ocorrem nos materiais metaestáveis, é possível interferir no processo de retorno e detê-lo num ponto determinado, definindo a microestrutura final do material. Na prática, o procedimento pode ser bem complexo. Os vidros metálicos, por exemplo, exigem um processo de recozimento para a cristalização, que deve ser interrompido no momento adequado.

A intervenção para a melhoria das propriedades do material também não é rotineira. “Por exemplo, no caso das ligas metálicas, por meio da escolha de elementos e composições adequadas, pode-se obter, durante a cristalização, uma alta freqüência de nucleação de uma fase primária e uma baixa taxa de crescimento”, exemplifica o professor Botta. Desse modo, pode-se gerar uma dispersão de nanopartículas, no alumínio e no ferro. A matriz residual, enquanto isso, se mantém amorfa. Muitas vezes, conseguem-se assim melhores propriedades magnéticas ou mecânicas do material.

“O projeto temático tem obtido resultados animadores, equivalentes aos apresentados pelos grupos de estudo mais importantes da área”, afirma o coordenador. O término do trabalho está previsto para agosto do próximo ano. O grupo que trabalha na pesquisa inclui sete professores do Departamento de Engenharia de Materiais da UFSCar, quatro pesquisadores em nível de pós-doutorado, 16 alunos de pós-graduação e 14 de graduação. Os resultados já começaram a aparecer. Até agora, já foram concluídas três teses de doutorado e três dissertações de mestrado a partir da pesquisa.

Perfil:
O pesquisador Walter José Botta Filho, 44 anos, formou-se em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos, onde é professor adjunto. É doutor em Ciências de Materiais pela Universidade de Oxford, na Inglaterra, e fez pós-doutorado no Instituto Nacional Politécnico de Grenoble, na França.

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