As empresas de manufatura preferem usar materiais testados e comprovados para seus produtos – esses materiais já estão validados e suas propriedades químicas e mecânicas bem estudadas. Entretanto, o desempenho e a funcionalidade do produto geralmente podem ser aprimorados com novos materiais que, uma vez testados e aprovados, oferecem propriedades de engenharia altamente específicas que aprimoram o desempenho do produto e criam opções de design de produto que não estavam disponíveis antes. Abaixo estão alguns materiais inovadores que podem transformar a fabricação em um futuro não muito distante.
Os pesquisadores do Centro Skoltech de Ciência e Tecnologia de Energia em Moscou criaram um material de fosfato de fluoreto de titânio para servir como um novo material de cátodo. Seu forte potencial eletroquímico e estabilidade em altas correntes de carga / descarga superam os materiais catódicos padrão de lítio e cobalto, que são caros e com suprimento reduzido.
Imagem SEM da seção transversal da fibra, mostrando as nanofibrilas alinhadas. Foto: KTH
O Instituto Real de Tecnologia da KTH, na Suécia, desenvolveu um material biodegradável e super forte, usando nanofibras de celulose da madeira. A nanoestrutura única do material fornece uma rigidez à tração de 86 gigapascal e uma resistência à tração de 1,57 gigapascal – oito vezes mais rígida que a seda de aranha, considerada o biomaterial mais forte e mais forte que o aço, com base no peso. Este material leve pode ser um substituto ecológico do plástico.
Um material de gel feito de polímero de aminopropilmetacrilamida (APMA), glicose, glicose oxidase e cloroplastos reage continuamente com dióxido de carbono do ar para expandir e se tornar mais forte ao longo do tempo. É o primeiro material de fixação de carbono que existe fora dos seres biológicos. “Fazer um material que possa acessar o carbono abundante ao nosso redor é uma oportunidade significativa para a ciência dos materiais”, disse o pesquisador Michael Strano, professor de engenharia química do MIT.
Pesquisadores do Sandia National Laboratories criaram uma liga de ouro-platina que é 100 vezes mais resistente à abrasão que o aço de alta resistência, mesmo em altas temperaturas. A excelente estabilidade térmica do material é alcançada alterando as energias dos limites dos grãos. Sob estresse, a liga produz seu próprio carbono semelhante ao diamante, que pode atuar como lubrificante.
As espumas metálicas compostas (CMF) consistem em esferas metálicas ocas, feitas de materiais como aço ou titânio, que são incorporados em uma matriz metálica, normalmente feita de aço ou alumínio. Os testes mostraram que o CMF “aço-aço”, assim chamado porque as esferas e a matriz são feitas de aço, é muito mais resistente ao fogo do que uma chapa de aço sólida. Além disso, o painel CMF aço-aço é apenas um terço do peso da chapa de aço sólida. Portanto, os CMFs são considerados um material promissor para proteger materiais sensíveis ao calor durante o transporte e armazenamento, como explosivos.
Os pesquisadores do Sandia National Laboratories, Michael Chandross (à esquerda) e Nic Argibay, mostram uma simulação em computador usada para prever a resistência ao desgaste sem precedentes de sua liga de platina e ouro, e um tribômetro ambiental usado para demonstrá-la. Foto: Randy Montoya, SNL
A seda de aranha já é considerada um dos materiais mais fortes do mundo. Agora, os cientistas descobriram outra característica mecânica única: acima de um certo nível de umidade no ar, as fibras da seda da aranha se contraem e torcem repentinamente. Esse processo – chamado super-contração – exerce força de torção suficiente para competir com outros materiais para uso como atuadores ou outros tipos de dispositivos de controle.
Inspirados por exoesqueletos de insetos, pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard criaram “shrilk”, um “plástico” biodegradável. Composto de quitosana, um componente das cascas de camarão e uma proteína de seda chamada fibroína, o shrilk é tão forte quanto o alumínio e 50% mais leve. Sua biocompatibilidade, flexibilidade e resistência o tornam um material atraente para dispositivos médicos implantáveis e engenharia de tecidos.
Os pesquisadores estão estudando como reforçar o concreto com fibra de carbono para aumentar a resistência e a durabilidade. Uma grande vantagem do carbono é que ele não oxida. Ao contrário do concreto reforçado com aço, que pode enferrujar e degradar a estrutura, não são necessárias camadas espessas de concreto para proteger o carbono. A adição de carbono ao concreto aumenta sua capacidade de carga em cinco ou seis vezes em comparação com o concreto tradicional reforçado com aço, é quatro vezes mais leve e tem uma vida útil significativamente mais longa.
Esse material ultraleve poroso sintético possui 99,8% de espaço vazio. Como produto final da secagem supercrítica de géis líquidos, como alumina, cromo, óxido de estanho ou carbono, o material é forte o suficiente para suportar 20.000 vezes o seu próprio peso. Os aerogéis são porosos abertos (o gás no aerogel não fica preso dentro de bolsas sólidas) e tem poros na faixa de <1 a 100 nanômetros de diâmetro. A condutividade térmica extremamente baixa também o torna um material de isolamento altamente eficaz.
O shrilk é derivado da quitosana, encontrada em cascas de camarão, e uma proteína de seda chamada fibroína que imita a microarquitetura dos exoesqueletos dos insetos e biodegrada rapidamente em fertilizantes ricos em nitrogênio. Foto: Instituto Wyss da Universidade de Harvard
Os cientistas continuam a produzir materiais melhores, mais fortes, mais leves e mais funcionais que os materiais convencionais. Com os avanços da nanotecnologia, novos materiais e combinações de materiais parecem intermináveis. A P&D atual inclui o estudo de elementos de terras raras, que possuem propriedades únicas. Por exemplo, os ímãs de neodímio podem armazenar quantidades impressionantes de energia magnética, tornando-os ideais para girar rotores em turbinas eólicas. Outro elemento de terras raras, o cério, quando adicionado ao alumínio, melhora seu desempenho em altas temperaturas. As ligas de cério e alumínio também têm propriedades superiores de corrosão quando comparadas à maioria das ligas de alumínio.
Como a Indústria 4.0, a Internet das Coisas e a nanotecnologia ocupam o centro do palco, engenheiros, cientistas e outros pesquisadores continuarão a empurrar os limites da ciência dos materiais. Os avanços materiais não apenas melhorarão os tipos de produtos que podemos fabricar, como também aumentarão nossas chances de criar um mundo mais saudável e sustentável.
Fonte: ASME