Universidade Federal de Santa Maria
Ci. e nat., Santa Maria, V. 42, Special Edition, e24, 2020
DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X40593
Received: 10/10/2019 Accepted: 10/10/2019
Special Edition
A Perspective on the Properties and Mechanical Applications of Nanostructures
Eloisa da RosaI
Ingridi dos Santos KremerII
Silvana MaldanerIII
Glauber R. QuadrosIV
Lucinéia FabrisV
Lucas T. CardosoVI
Jocenir BoitaVII
I Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil- eloisa.darosa19@gmail.com
II Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - ingridikremer@hotmail.com
III Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - silvana.maldaner@ufsm.br
IV Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - glauber.quadros@ufsm.br
V Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - lucineia.fabris@ufsm.br
VI Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - ltcfisica@yahoo.com.br
VII Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - jocenir.boita@ufsm.br
The study of nanoparticles has been growing more each day, as well as the interest in the development of research related to nanotechnology. All this interest is largely due to the important properties and innovative applications that nanostructures offer, making possible their use and applicability in various areas of knowledge.Its characteristics present possibilities such as materials improvement, achievment of more precise technologies as well as development of new nanostructured products. All these possibilities are already being studied and developed, progressively proving the capacity of the nanotechnology area and the innovations that it provides us. This work will present some specific properties and applications of these nanostructures, that are extremely important and of great interest in the nanotechnology area, which are the mechanical properties and applications, as well as presenting nanostructures already developed and which have the properties and applications highlighted during the work..
Keywords: Nanostructures; Nanotecnology; Mechanic
1 Introdução
Há alguns anos tem-se visto e ouvido falar de um campo de pesquisa novo e inovador, a nanotecnologia. Área a qual atualmente já são atribuídos diversos avanços científicos, novas tecnologias e inovações. Tal área, a nanotecnologia, nada mais é do que um ramo da ciência responsável pelo estudo, desenvolvimento e manipulação de materiais a nível atômico e molecular, mas que apresentam características diferenciadas associadas à nanoescala. Portanto, quando nos referimos à nanoestruturas, considerando que as mesmas se encontram em escala nanométrica, estamos falando de estruturas que possuem bilionésimos de metro, pois um nanômetro (nm) corresponde a .
Para um dispositivo ser considerado nanotecnológico, não basta ter dimensões nanométricas, deve apresentar propriedades diferenciadas relacionadas à nanoescala. Para a Iniciativa Nacional de Nanotecnologia nos Estados Unidos (NNI - The National Nanotechnology Initiative) a nanotecnologia é considerada apenas na escala de 1 a 100 nanômetros (nm) (DA RÓZ; LIMA LEITE et al, 2015).
As nanoestruturas possuem propriedades únicas e inovadoras, que são potencializadas na escala nanométrica quando comparadas com uma mesma estrutura, de mesma composição, em uma maior escala. Tais características são alguns dos motivos que fazem esses tipos de estruturas serem tão interessantes e promissoras no campo de pesquisa científica. Suas capacidades únicas possibilitam inúmeras aplicações, considerando que nanoestruturas possuem propriedades elétricas, químicas, físicas e mecânicas, por exemplo.
Nos últimos anos, produtos miniaturizados tem se tornado altamente dominantes em todos os aspectos da vida. Os benefícios de se ter componentes menores, e consequentemente um dispositivo com capacidades e funcionalidades aprimoradas, são óbvios através das seguintes perspectivas: sistemas menores tendem a se mover mais rapidamente que sistemas maiores por conta da menor inércia de massa, os tamanhos menores de dispositivos pequenos encontram menores problemas em distorção e vibração térmica, e elas consumem menor energia e então menos custos. Por conta desses avanços, a miniaturização de sistemas e dispositivos tem se tornado uma área ativa de pesquisa (AQEL; M.M et al, 2010, p.2)
As propriedades mecânicas das nanoestruturas, como resistência mecânica, já são aproveitadas na fabricação de novas estruturas e melhoramento de materiais já existentes, por exemplo. As aplicações de tais estruturas vêm se mostrando importantíssimas no desenvolvimento de materiais e componentes com um desempenho e durabilidade superiores, dentre outras aplicações.
O presente trabalho terá maior enfoque nas propriedades e aplicações mecânicas das nanoestruturas, apresentando sua importância, possibilidades e inovações.
2 Propriedades mecânicas das nanoestruturas
As nanoestruturas possuem propriedades mecânicas que podem ser usadas em muitas aplicações, principalmente visando aprimorar o desempenho de diversos materiais. Entre elas, podemos destacar as propriedades catalíticas, resistência e rigidez mecânica, leveza, adesão, fricção, sua capacidade térmica e também elasticidade.
Do ponto de vista catalítico, a síntese de nanomateriais visa o desenvolvimento de nanopartículas em um estado altamente disperso, com diâmetro de partículas menores que 10 nm. Tem-se investigado como os diferentes métodos de preparação dos catalisadores, a natureza do suporte e a interação metal-suporte afetam o tamanho e a forma das nanopartículas, visando a aumentar e estabilizar a atividade catalítica. O termo nanocatalisador não se aplica ao fenômeno da catálise, que intrinsecamente ocorre em nanoescala. Ele se refere às propriedades dos catalisadores, que podem variar em função do tamanho em nanoescala; tipicamente, os nanocatalisadores possuem pelo menos uma dimensão em nanoescala, externa ou internamente e sua atuação na reação depende criticamente do tamanho da partícula (SOUSA FERREIRA, 2009).
Suas propriedades de resistência e rigidez se destacam por se tratarem de propriedades acentuadas quando se compara um material em nanoescala a um material em micro ou macroescala, ou seja, normalmente materiais em nanoescala possuem uma resistência e rigidez aumentadas em relação ao mesmo material em uma escala maior. O mesmo se aplica a sua propriedade de leveza, que se torna muito interessante quando se trata de suas possíveis aplicações.
Sua capacidade térmica e elasticidade são importantes propriedades quando se trata da produção de novos materiais e dispositivos, por exemplo. Isso faz com que seja possível o desenvolvimento de produtos inovadores e com uma estrutura totalmente nova.
A fricção e adesão das nanopartículas desempenha importante papel na nanofabricação, lubrificação, design de novos micro/nano dispositivos, estabilização coloidal e transporte de medicamentos. Nesse caso, caracterizar os comportamentos de adesão e fricção das nanopartículas tem atraído um interesse de pesquisa significativo na última década (GUO; XIE et al, 2013).
O aumento de altos requisitos das propriedades de superfície e interface de muitos sistemas mecânicos exigem novos projetos e melhorias de modificações de superfície e tecnologias de fabricação. A exibição das muitas propriedades mecânicas únicas das nanopartículas tem se tornado uma das escolhas mais atrativas para atender essas necessidades nos últimos anos (GUO; XIE et al, 2013, p.17).
3 Aplicações mecânicas das nanopartículas
As propriedades que as nanoestruturas possuem permitem que as mesmas sejam inseridas em inúmeros campos, melhorando aplicações já existentes e fazendo inovações em diversas áreas do conhecimento.
Porém, o presente artigo tratará em particular das aplicações mecânicas que as nanoestruturas possibilitam. Essas aplicações são aquelas em que o principal resultado é a melhoria das características dos materiais em questão, nas quais as propriedades mecânicas citadas anteriormente são utilizadas para aplicações também de cunho mecânico.
Entre as principais aplicações mecânicas das nanoestruturas estão a melhoria na resistência mecânica dos materiais em que elas são aplicadas, a utilização dessas estruturas no desenvolvimento de materiais que sejam leves, flexíveis e resistentes, inclusive combinando todas essas características em um mesmo material, assim como o desenvolvimento de novos materiais de alto desempenho.
Muitas vezes, as aplicações das nanoestruturas são desenvolvidas a partir de materiais e compostos encontradas na natureza. Se tratando de aplicações ligadas a resistência mecânica, um exemplo disso são as conchas, que se trata de um nanocompósito natural que possui propriedades mecânicas elevadas, assim como a teia de aranha, que possui uma alta resistência (DA RÓZ; LIMA LEITE et al, 2015). Essas estruturas são aliadas da nanotecnologia no desenvolvimento de novos materiais com propriedades acentuadas.
Como já citado anteriormente, a nanotecnologia atualmente já é aplicada em inúmeras áreas, tais como medicina, engenharias, esporte, indústrias, tecnologia, etc.
No esporte, as nanoestruturas, se tratando de suas aplicações mecânicas, já são utilizadas para o desenvolvimento de materiais mais resistentes e mais leves. Um exemplo disso seria o tênis, esporte que já utiliza bolas com borracha menos permeável e raquetes nanoestruturadas mais leves.
Figura 1 - Bola de Tênis nanoestruturada (marca Wilson)
Figura 2 - Raquete de Tênis nanoestruturada (marca Wilson)
Na medicina, a nanotecnologia já é utilizada para diversos processos, sendo essa uma das áreas que mais se beneficia e que mais se beneficiará futuramente da nanotecnologia. Entre as aplicações mecânicas em tal área, está o desenvolvimento de nanorobôs que interagem diretamente com o corpo humano, sendo responsáveis pela aplicação de medicamentos em áreas específicas do corpo, assim como a análise de locais que ainda não conseguem se examinados com clareza pelos aparelhos já existentes. Esses mecanismos estão trazendo para a medicina uma precisão que facilitarão diagnósticos e tratamentos de diversos problemas.
Na indústria têxtil as nanoestruturas também estão presentes, sendo aplicadas em tecidos que podem ser impermeáveis, assim como tecidos mais flexíveis, leves e até mesmo auto ajustáveis ao corpo.
3.1 Aplicações das nanopartículas na engenharia mecânica
Porém, todas essas propriedades mecânicas das nanoestruturas que vêm sendo citadas ao longo deste artigo também aplicações especificamente na engenharia mecânica. Algumas delas estão diretamente ligadas à propriedade de leveza das nanoestruturas, como por exemplo, o desenvolvimento de estruturas e componentes mais leves, proporcionando a redução de peso de peças, máquinas e estruturas metálicas. Na área automobilística, a diminuição do peso das estruturas e componentes de carros e máquinas, pode significar automaticamente a diminuição do consumo de combustível das mesmas. Ainda na área automobilística, atualmente já estão sendo desenvolvidas tintas mais resistentes a abrasão e ao atrito (DA RÓZ; LIMA LEITE et al, 2015).
No Brasil, a Fiat, por exemplo, desenvolveu seu carro FCC II com nanocompósitos de argila. A carroceria usa fibras com nanoargila, que é uma argila com um aditivo químico a base de nanopartículas. Trata-se de um composto com características semelhantes às de fibra de vidro, mas que é mais leve e barato, além de mais fácil de reciclar.Outro exemplo é a aplicação de nanopartículas nas tintas automotivas. A Mercedes Benz recentemente desenvolveu uma pintura especial com bolhas nanométricas de tinta que são capazes de regenerar pequenos riscos na pintura. Quando há um risco, pequenas bolhas rompem-se e liberam a tinta que recobre a área exposta, auxiliando tanto na proteção quanto na estética automotiva. ((DA RÓZ; LIMA LEITE et al, 2015).
Figura 3 - Carro FCC II, da Fiat
Ainda se tratando das aplicações diretamente ligadas à engenharia mecânica, estão, por exemplo, a alta resistência à fadiga e à corrosão que as nanoestruturas proporcionam para os materiais. Isso faz com que os materiais tenham mais durabilidade e resistam a fatores climáticos com mais eficiência. Na indústria metal-mecânica, por exemplo, a inserção de materiais nanoestruturados em produtos metalúrgicos, tem a capacidade de modificar as propriedades mecânicas e de resistência à corrosão dos mesmos.
As nanopartículas também podem ser aplicadas na área mecânica em relação ao resfriamento de motores, isso poderia se dar por meio de um aditivo anticongelante a base de nanoestruturas na forma coloidal para sistemas de arrefecimento. Há o conhecimento de que líquidos a base de nanoestruturas podem possuir pontos de fusão e ebulição diferentes de líquidos sem esse tipo de estrutura em sua composição. Por exemplo, um líquido a base de nanoestruturas pode ter um ponto de ebulição muito superior se comparado com qualquer outro. Dessa forma, tal característica pode ser usada para a composição de aditivos para serem utilizados no resfriamento de motores, tanto automobilísticos quanto de outros tipos de máquinas. Isso poderia permitir que o motor aquecesse de forma mais lenta considerando que o resfriamento do motor estaria sendo mais eficiente. Outro componente automobilístico que pode ter em sua composição as nanoestruturas seria o catalisador.
Porém, o aumento de resistência que as nanopartículas proporcionam não se aplica apenas a estruturas e componentes metálicos, tal propriedade pode ser proporcionada inclusive à materiais de alvenaria, por exemplo. A utilização de tal tecnologia em construções seria um avanço enorme na área, podendo fazer com que não mais fossem utilizados os materiais hoje conhecidos como, por exemplo, areia convencional, para a construção de componentes como vigas, telhados, tijolos, etc. Dessa forma, será possível possuir estruturas bem mais resistentes, com materiais inclusive mais baratos, à base de nanopartículas. Da mesma forma, a incorporação de diferentes tipos de nanopartículas em uma matriz metálica ou polimérica para produzir nanocompósitos, pode gerar propriedades aprimoradas, tais como propriedades mecânicas melhoradas, alto-lubrificação, resistência ao desgaste e capacidade de absorção de energia (GUO; XIE et al, 2013).
3.2 Nanotubos de carbono
Atualmente, a nanotecnologia já desenvolve diversas estruturas que são utilizadas para inúmeras finalidades. Dentre elas, uma das principais e uma das quais possui importantes propriedades mecânicas são os nanotubos de carbono. As nanoestruturas baseadas em carbono tem ganhado muito interesse de pesquisadores por conta de sua versatilidade e suas interessantes propriedades.
Nas últimas décadas, foram descobertas e estudadas diversas nanoestruturas baseadas em carbono, como os fulerenos, os nanotubos de carbono e o grafeno. Estas apresentam um conjunto de propriedades físicas excepcional, com vasto potencial de aplicação no desenvolvimento de novas tecnologias. Estes materiais também têm servido como blocos fundamentais para a criação de novas nanoestruturas, com propriedades físicas diferenciadas, que podem ser modificadas e controladas visando aplicações específicas. (RAMA VIEIRA SILVEIRA, 2016, p.5)
Os nanotubos de carbono possuem uma estrutura em formato cilíndrico. São fibras extremamente fortes, leves e duras que, em alguns casos, apresentam rigidez 50 vezes maior que o aço. Isso faz com que eles possam ser torcidos e dobrados sem que ocorra rompimento em sua estrutura. Possuem propriedades térmicas, elétricas e mecânicas.
Um nanotubo de carbono (CNT) consiste em uma camada de um átomo de espessura de carbono arranjado em uma rede hexagonal (ligações C–C hibridizadas em sp²), enrolado sobre si. Esta camada pode ser descrita como uma lâmina de grafeno, unidade estrutural básica do grafite. Os primeiros nanotubos de carbono foram sintetizados por Iijima e Ichihashi (1991), seis anos após o fulereno. Ao contrário deste, que viu suas propriedades interessantes não atingirem as expectativas esperadas fora do contexto do laboratório, os nanotubos tiveram um começo mais promissor, com um volume crescente de publicações, patentes e estudos sobre o novo material (RAMA VIEIRA SILVEIRA, 2016, p.7).
Os nanotubos podem ser divididos em nanotubos de parede única e nanotubos de paredes múltiplas, a diferença entre os dois tipos é a quantidade de camadas. Os nanotubos de parede única possuem uma única camada e os de paredes múltiplas contêm duas ou mais camadas cilíndricas.
Figura 4 - Nanotubos de carbono de parede única
Figura 5 - Nanotubo de carbono de paredes múltiplas
A estrutura elementar do nanotubo altera significativamente suas propriedades. A maneira como a folha de grafeno é enrolada para a formação do nanotubo gera estruturas com propriedades físicas variadas (DRESSELHAUS et al, 1995).
Os nanotubos de carbono possuem inúmeras possibilidades de aplicação, em diversas áreas, devido a suas propriedades únicas.
São usados na medicina para transporte de medicamentos e aplicação de antibióticos, para geração de tecido, pois são biocompatíveis, resistentes a biodegradação e aprimoram a geração do órgão (HE; PHAM-HUY et al, 2013). Também podem ser usados como dispositivos para armazenamento de energia; em implantes artificiais, devido a sua grande resistência, assim como para preservar medicamentos que são facilmente oxidados, entre outras aplicações.
Outras possíveis aplicações dos nanotubos de carbono incluem filmes condutores, células solares, células combustíveis, supercapacitores, transistores, memórias, telas, membranas e filtros de separação, sistemas de purificação, sensores, roupas, etc (PUROHIT; RANA; PATEL, 2014).
Da mesma forma, devido a sua alta resistência e suas propriedades térmicas acentuadas, essas estruturas são utilizadas para diversas aplicações mecânicas. Entre as principais está a composição de estruturas e materiais.
O que torna os nanotubos de carbono tão interessantes na fabricação de estruturas e materiais é o fato de os mesmos serem altamente resistentes e ao mesmo tempo leves.
Essa alta resistência, em combinação com a estrutura leve do nanotubo até encorajou a construção de um elevador espacial, o que é impossível usando outro material existente (TAKAKURA; BEPPU et al, 2019, p.3).
Atualmente, os nanotubos de carbono já são utilizados na fabricação de estruturas de aeronaves, por conta das características citadas anteriormente de resistência e leveza, na fabricação de componentes automobilísticos e diversas estruturas metálicas e componentes de máquinas. Os nanotubos também são utilizados em processos que possuam conservação e transmissão de energia, devido a suas importantes capacidades térmicas e caráter isolante.
Portanto, os nanotubos de carbono se mostram importantes aliados no avanço da nanotecnologia e de toda a pesquisa em geral, considerado que podem ser aplicados em inúmeras áreas, trazendo avanços consideráveis e facilitando diversos processos. Isso tudo se deve ao fato de tais estruturas possuírem propriedades únicas e aprimoradas, que se mostraram eficientes nos diversos campos em que foram estudadas.
4 Conclusões
A nanotecnologia se mostra importante a cada dia que passa devido às possibilidades que a mesma traz para o campo científico. Suas particularidades e versatilidade têm atraído cada vez mais o interesse de pesquisadores por conta dos avanços que essa ciência possibilita.
Dentre as diversas propriedades que as nanoestruturas possuem as propriedades mecânicas, que foram tema deste artigo, se mostram importantíssimas por serem capazes de possibilitar o desenvolvimento de novos dispositivos, materiais e estruturas com características aprimoradas, ou ainda com a combinação de diversas propriedades que ainda não foram combinadas anteriormente.
No campo da engenharia mecânica, as nanoestruturas são capazes de trazer alguns avanços que seriam inovadores na área automobilística e metal-mecânica, por exemplo, possibilitando a fabricação de máquinas mais resistentes, duráveis e eficientes, tanto energeticamente quanto mecanicamente.
Consequentemente, devido a todas as questões citadas anteriormente, se vê a importância do avanço da pesquisa no campo da nanotecnologia, considerando que o mesmo trará diversos benefícios tecnológicos e científicos.
Agradecimentos
Ao Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano), ao CNPq, FAPERGS pela bolsa de IC PROBIC e a CAPES.
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