O Admirável Mundo Nano: Nanociência e Nanotecnologia

Originalmente publicado em Revista SLTCaucho

Marly JacobiPor Marly Maldaner Jacobi,
Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
Instituto de Química,
Porto Alegre, RS

Na última década os termos nanociência e nanotecnologia tem ocupado um importante espaço na divulgação científica e tecnológica e tem recebido muita atenção por parte de governos, órgãos de fomento de pesquisa, empresas de grande e pequeno porte. Ao acessarmos o site de busca Google, com os termos “nanoscience and nanotechnologies” em apenas 0,22 segundos encontramos ca. 1.380.000 citações. Igualmente, encontramos revistas específicas sobre os temas. Mas o que realmente, significam estes termos, e qual o impacto da nanociência e da nanotecnologia em nossas vidas?

Segundo o relatório da The Royal Society & The Royal Academy of Engineering de Julho de 20041 Nanociência é o estudo de fenômenos e a manipulação de materiais em escala atômica, molecular e macromolecular, onde as propriedades nesta dimensão diferem da escala de grandes dimensões. Tendo em vista que o termo nanotecnologia engloba um largo espectro de ferramentas, técnicas e aplicações em potencial, nas mais diferentes áreas (química, física, engenharia, medicina) prefere-se utilizar o termo Nanotecnologias. Entende-se por nanotecnologias o design, a caracterização, produção e aplicação de estruturas, dispositivos a partir do controle da forma e tamanho em escala manométrica.

Portanto, a nanotecnologia é a capacidade de manipular átomos e moléculas a ponto de construirmos um determinado material átomo a átomo, dando a este material as características e propriedades que nos forem convenientes e que não são observadas em escala macro.

Mas o que significado o termo nano e como surgiu? O prefixo nano surgiu do grego “nánnos” que significa “anão”, ou seja, algo muito pequeno. Em termos de dimensão um nanômetro (abreviado como nm) é um metro dividido por um bilhão, ou seja, 1nm é igual a 10-9 m. Para se ter uma ideia deste tamanho, lembramos que o diâmetro de um fio de cabelo é da ordem de 80.000nm, uma célula sanguínea de glóbulo vermelho tem aproximadamente 7.000nm de largura, ou ainda a largura de uma molécula de DNA que tem ca. de 2 nm de largura. Além disso, em um nanômetro cabem, aproximadamente, 10 átomos. Portanto, quando falamos em 1 nanômetro estamos falando na dimensão de átomos e moléculas. As imagens comparativas apresentadas na Figura 1, nos tão uma ideia qualitativa e comparativa de objetos de dimensão macro (bola de futebol), de dimensão micro (10-6m, fio de cabelo e glóbulos vermelhos) e de dimensão nano (uma molécula de fulereno, também conhecido como buckyball, nanotubos de carbonos). Àtomos apresentam dimensões inferiores a um nanômetro, enquanto macromoléculas, incluindo proteínas, apresentam dimensões maiores do que um nanômetro. Obviamente, que a nossa visibilidade humana detecta apenas a escala macro.

 

Figura 1: Escalas de comprimento mostrando o contexto nanômetro. A escala de comprimento no topo varia de 1m a 10-10m, e ilustra o tamanho da bola de futebol comparada a molécula de fulereno conhecida como buckyball. Para comparação, o mundo é aproximadamente cem milhões de vezes maior que a bola de futebol, a qual é cem milhões de vezes maior que a buckyball. Esta seção de 10-7nm (100nm) a 10-9nm (1nm) está expandida abaixo. A escala de comprimento de interesse para a nanociência e para as nanotecnologias é de 100nm para baixo até a escala atômica – aproximadamente 0.2nm. Figura adaptada de Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, report by The Royal Society Academy of Engineering 2004, http://www.nanotec.org.uk/ 1 acessado em 31/10/2014

De um modo geral, classifica-se como nano objetos de 1 a 100nm. O limite superior não é muito rígido, e algumas vezes objetos de até 200nm são considerados como nanos. O limite é definido pelo efeito que a dimensão exerce sobre o material. Nanociência não é a ciência do pequeno, mas a ciência na qual materiais, com dimensões muito pequenas apresentam novos fenômenos, chamados efeitos quânticos, os quais são dependentes da dimensão e totalmente diferentes das propriedades dos objetos macroscópicas2. Nanociência é o estudo de materiais que exibem propriedades notáveis, funcionalidade, e fenômenos devido à influência de sua pequena dimensão.

Os materiais podem ter apenas uma das suas dimensões em escala nano, como por exemplo, filmes finos, revestimentos de superfícies de espessura nano, terem duas dimensões na escala nano, como no caso de nanofios e nanotubos ou as suas 03 dimensões em escala nano, nanopartículas esféricas, como por exemplo, nanoparticulas de óxido de titânio, ouro coloidal, etc.

As propriedades dos materiais na dimensão nano são totalmente diferentes, essencialmente, por duas razões. Primeiro porque apresentam uma área superficial muito grande quando comparadas com uma massa correspondente do mesmo material em dimensão macroscópica. Esta grande área superficial faz com que muito mais átomos estejam na superfície e como os átomos da superfície não tem as suas cargas compensadas, são, na sua maioria, muito mais reativos. Isto faz com que os materiais que são inertes na escala macro, tornam-se reativos na escala nano, afetando a resistência do material e as propriedades elétricas. Estas características são muito desejadas para catalisadores, por exemplo. Segundo, porque nestas dimensões os efeitos quânticos começam a dominar o comportamento do material afetando propriedades ópticas, elétricas e magnéticas2.

O ouro em escala manométrica pode ser catalisador para células de combustível. Nanopartículas de óxido de ferro dispersas em óleo podem resultar em um ferrofluido com aplicações com vedantes para juntas rotativas de reservatórios de vácuo e para invólucro de amortecedores ajustáveis de vibrações em máquinas e automóveis2.

 

Histórico da Nanociência e da Nanotecnologia

Para que o homem fosse capaz de descobrir e manipular a matéria na dimensão nano, precisou de ferramentas muito poderosas capazes de “enxergar” a dimensão nano das partículas, o que só foi possível com o surgimento dos microscópios altamente sofisticados, o microscópio de Varredura por Tunelamento (Scanning Tunnelling Microscopy, STM) e o microscópio de força atômica (Atomic Force Microscopy, AFM). Ambos são capazes de mapear as superfícies em resolução atômica. A descoberta destes equipamentos foram eventos importantes no desenvolvimento da nanotecnologia, em 1981. Atualmente, tem-se ainda os microscópios de varredura por sonda (Scanning Probe Microscopy, SPM), Microscópio de Campo Próximo (NFM, near Field Microscopy).3

 

Mas, quando iniciou a era “nano”?

Não existe uma data definida. Na antiguidade, os Romanos no século IV já produziam artefatos, como jarros de vidros (jarros de Lycurgus) com inclusão de partículas coloidais de ouro e pratoa no vidro, apresentando a coloração de um verde opaco quando a luz iluminava o jarro de fora mas apresentando um vermelho translucido quando iluminado de dentro. Nos séculos 6-15 os vidrais das Catedrais europeias adquiriram suas cores graças as nanoparticulas de cloreto de ouro e outros óxidos e cloretos metálicos.4 Hoje sabe-se que determinadas partículas exibem a sua cor, em função do seu tamanho, como é ilustrado na Figura 2.

 

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Figura 2. Partículas fluorescentes de telureto de cádmio onde as diferentes cores são função do tamanho médio das partículas5

 

No fim do século XIX, o respeitado cientista inglês Michael Faraday já sintetizava nanopartículas de ouro, porém não compreendia as propriedades destas partículas.

Podemos considerar como o marco inicial da nanotecnologia, como ciência, a palestra proferido pelo famoso Físico americano Richard Feynman, em 1959, intitulada “There´s plenty of room at the bottom”. onde propunha que na escala nanométrica haveriam muitas coisas a serem descobertas e muitas propriedades novas. Nesta palestra Feynman explorou a idéia de compilar toda a enciclopédia britânica na cabeça de um alfinete. Segundo ele, para isso deveria se manipular a matéria na escala de átomos e moléculas individuais. Feyman foi ganhador de dois prêmios Nobel.4

No entanto o termo Nanotecnologia foi utilizado primeira vez em 1974 pelo japonês Norio Taniguchi, quando descreveu o processo inovador de separar, consolidar e deformar materiais átomo por átomo ou molécula por molécula.

Nas décadas de 80 e 90 do século passado, um grande esforço de químicos e físicos em todo mundo, conduziram ao desenvolvimento de novos materiais e novos métodos de síntese, os quais avaliados com os novos microscópios de AFM e de TEM transmissão, permitiram a possibilidade de descobertas de novas propriedades e estruturas, que levaram a uma revolução científica e a uma corrida no sentido de compreender e dominar o mundo nano.

 

A Tabela 1 apresenta, em escala cronológica, alguns fatos importantes que conduziram até os dias de hoje, quando vivenciamos uma verdadeira revolução nanotecnológica.

Tabela 1: Cronologia de alguns fatos importantes na história da nanotecnologia4

 

1959 Conferência de Richar Feymann na Reunião da Sociedade Americana de Física
1966 Viagem Fantástico (Fantastic Voyage) filme baseado no livro de Isaac Asimov
1974 Norio Taniguchi cunha o termo nanotecnologia
1981 Trabalho de Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, criadores do microscópio de tunelamento (scanning tunnling microscopy)
1985 Descoberta dos fulerenos, por Robert Curl, Harold Kroto e Richard Smallerey
1986 Publicação do livo de Eric Drexler, “Engines of Creation”
1990 Donald Eigler e Erhard Schweinzer moveram átomo de xenônio em uma superfície de níquel escrevendo o logo da empresa IBM.
1991 Descoberta dos nanotubos de carbono por Sumio Iijima (NEC).
2000 Administração Clinton lança no California Institute of Technology a National Nantechnology Initiative
2001 Crees Dekker, biofísico holandês, demonstrou que os nanotubos poderiam ser usados como transistores ou outros dispositivos eletrônicos
2001 Equipe da IBM (USA) constrói rede de transistores usando nanotubos, mostrando mais tarde o primeiro circuito lógico à base de nanotubos
2002 Chad Mirkin, químico da Northwestern University (EUA) desenvolve plataforma, baseada em nanopartículas, para detecção de doenças contagiosas.

 

A NANOTECNLOGIA NA NATUREZA

Observando-se a natureza, constata-se a presença da nanotecnologia em diferentes situações, sendo que uma das características encontradas nestes materiais é a auto-organização. O homem tenta se inspirar e buscar soluções para os seus problemas nesta auto-organização (self assembly). Alguns exemplos interessantes encontradas na natureza :

A folha de Lótus

A Lótus, planta sagrada do antigo Egito, de folhas de um verde brilhante foi estudada por uma equipe de pesquisadores do laboratório da General Motors, em Michigan (EUA), e constaram que as suas propriedades hidrofóbicas auto-limpantes das folhas, (as folhas repelem e as gotículas de água ao rolaram carregam consigo a poeira) deve-se a sua estrutura peculiar em dois níveis: rugosidades na superfície de tamanhos micrométricos e ao tapete de pelos nanométricos, além de uma composição química da superfície que se aproxima muito da cera. Obviamente, que a natureza não dotou a folha de lótus com tais características meramente por acaso: cada estrutura desempenha seu papel no efeito hidrofóbico. Por exemplo, o ângulo de contato de uma gota de água sobre uma folha de lótus é 142o (uma superfície é considerada hidrofóbica quando esse ângulo ultrapassa 90o), o que significa que a superfície de contato da gota de água é muito pequena. Observou-se, ainda, que uma almofada de ar é aprisionada abaixo da gota de água, no interior das rugosidades, a qual auxilia ainda mais na minimização do contato. O modelo da folha de Lótus, tem inspirado pesquisadores a criarem pinturas, telhados, vidros e mesmo têxteis auto limpantes. A Figura 3 a) apresenta uma micrografia da estrutura de uma folha de Lótus b) representa o mecanismo de hidrofobicidade da folha de Lótus.

 

 

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Figura 3a) Micrografia mostrando a estrutura de uma folha de Lótus. The American Society of Mechanical Engineers.

 

 

 

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Figura 3b) Esquema representativo do mecanismo de hidrofobicidade da Folha de Lótus.

 

 

A cor azul das asas das borboletas

O azul das asas das borboletas é consequência da interferência construtiva da luz na estrutura ordenada das asas, em escala micro e manométrica. A Figura XX apresenta as estruturas de uma asa de borboleta. As asas das borboletas apresentam estruturas micrométricas (cada escama tem aproximadamente 100 μm de comprimento por 50 μm de largura)

[22] parcialmente sobrepostas de forma periódica similar a telhas cerâmicas em um telhado, somando entre 200 a 500 escamas por milímetro quadrado [22]. Cada escama individualmente é constituída por microfibras caracterizando uma estrutura corrugada formada por calhas, ou lamelas, com espessuras inferiores a 1 μm regularmente espaçadas entre si. De uma forma geral, veremos que o espaçamento entre as calhas é o principal parâmetro que dita a coloração final. Essas calhas têm uma estrutura interna complexa com diversas paredes lamelares intercaladas que são responsáveis por múltiplas reflexões internas e eventos de interferência que geram o efeito visual. Detalhes da real estrutura de uma asa de borboleta da espécie Blue Morpho, podem ser visualizados através de imagens geradas por microscopias eletrônicas, como as apresentadas na Fig. 4 , (imagens disponibilizadas pela NISE – Nanoscale Informal Science Education) [23]. [22] M. Srinivasarao, Chem. Rev. 99, 1935 (1999).

 

 

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Figura 4. Imagens de microscopia eletrônica de varredura da estrutura da asa de uma borboleta da espécie Blue morpho (a).

 

Aspecto superficial da disposição das escamas (b); Detalhe da estrutura corrugada de uma escama, na qual o espaçamento regular entre as calhas (próximos a 0,5 μm), resultam neste caso em uma coloração azul intensa (c);

Visualização lateral da complexa estrutura escalonada das calhas (nanofibras) que compõem a escama (d). Fonte: Imagem (a): domínio público [24]. Imagens (b, c, d) cortesia de Shinya Yoshioka, Osaka University (Japão)com reprodução autorizada para educacionais [2]

 

O mecanismo de fixação da Lagartixa no teto

O fato das lagartixas caminharam pelas paredes deve à nanotecnologia. As suas patas são revestidas de pêlos finíssimos, tão adaptáveis que podem aproximar-se a poucos nanómetros de uma base de apoio, sobre grandes extensões As interação entre a base de apoio e os pelos são do tipo “ligação Van-der-Waals”, bastante fraca na verdade mas concretizada através de milhões de pontos de aderência tornam-se o suficientemente fortes que permite que o animal fica retido na superfície. As ligações desfazem-se por “exfoliação”, à semelhança do que acontece com uma fita adesiva. Este fenômeno tem servido de inspiração para o desenvolvimento de adesivos.

Mexilhão – um mestre na arte da aderência

O mexilhão é outro exemplo que utiliza-se da nanotecnologia da aderência. Quando quer colar-se a uma rocha ou outro apoio qualquer, abre as valvas, estica o pé até tocar no apoio, arqueia-o em ventosa e, através de pequenas cânulas, lança sobre o apoio, na zona de baixa pressão, um fluxo de pequenas esferas de agente colante, as micelas.

Forma-se assim, de imediato, uma pequena almofada de espuma, com forte aderência subaquática. É a este amortecedor que o mexilhão se prende, com filamentos elásticos de seda marinha, de modo que nem o mar mais agitado consegue arrancá-lo.

Obtenção de Nanomateriais:

Na natureza temos materiais de estrutura nano fabricados não-intencionalmente como as proteínas, virus, nanopartículas produzidas por erupções vulcânicas ou resultado da atividade humana e materiais produzidos intencionalmente, dando origem à nanotecnologia.

Obtenção Intencional de Nanoestruturas: Nanociência e Nanotecnologia

Como já mencionado, anteriormente, com o desenvolvimento das ferramentas apropriadas, no caso os diferentes microscópios, foi possível a caracterização precisa dos materiais quanto a sua forma e tamanho das partículas, a determinação das propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas. Da caracterização apropriada depende o controle de qualidade e a pesquisa e desenvolvimento de novos processos.

Embora em algumas áreas a nanotecnologia não seja nova, como por exemplo, na catálise onde o tamanho, a área superficial, sempre foi importante, muitas estruturas de superfícies só puderam ser totalmente caracterizadas, a partir de uma análise desta superfície a nível manométrica. As ferramentas que surgiram foram os microscópios eletrônicos de tunelamento, (STM), microscópio de Força Atômica (AFM) e os microscópios eletrônicos de Transmissão (TEM). Estes microscópios são capazes de caracterizar superficial e interfacialmente os materiais em escala nano, permitindo a observação dos átomos individualmente. Isto levou a um entendimento maior da relação entre a forma e as propriedades do material e a um controle do processo em uma escala nano. Mesmo assim, a produção destes materiais muitas vezes se restringe aos laboratórios de pesquisa das Universidades e ou centros de pesquisa. A passagem para um scale-up muitas vezes é um problema.

Processos de Fabricação

Existem, basicamente, dois processos de se produzir nanoestruturas, o processo de baixo para cima conhecido como “Botton up” e o processo de cima para baixo chamado de “Top-down” como representado na Figura 5.1

O processo Botton-up consiste na construção de estruturas átomo a átomo, ou molécula a molécula envolvendo, essencialmente, 03 técnicas: a) a síntese química, b) a auto-organização das partículas geradas (self-assembly) e c) a manipulação e colocação das partículas nas posições desejadas, a exemplo do realizado pelos pesquisadores da IBM, que escreveram o nome da empresa com átomos de Xenônio sobre uma superfície de Níquel. O caso mais comum é a geração de muitas partículas a partir da síntese química controlada e do controle das condições para que as mesmas se auto-organizem.

 

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Figura 5. Representação esquemática do processo “Bottom-up” e do processo Top-down aplicado na obtenção de nanoparticulas.

 

 

A Figura 6 apresenta o processo genérico com as etapas mais usuais que envolvem a obtenção as nanoparticulas por síntese química.

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Figura 6. Processo com as etapas envolvidas na obtenção de nanopartículas por síntese química.

O ponto de partida é o percursor e a primeira e importante etapa é a criação das partículas por mudança de fase ou por reação química, seguindo-se das devidas transformações (secagem, calcinação), a separação do produto e a coleta das nanoparticulas. Nestas etapas, cuidados especiais devem ser tomados, com as pessoas envolvidas no processo, principalmente, se as partículas estão na forma gasosa. No entanto, como já mencionado anteriormente, a tendência das nanoparticulas é de se aglomerarem e por isto, muitas vezes são obtidas em fase líquida, o que permite um melhor controle das energias de superfície e põe os envolvidos em menores riscos. A habilidade de manusear as nanoparticulas é muito importante, porque as partículas, antes de sua aglomeração podem apresentar, estruturas complexas e comportamentos bem distintos.

  1. b) auto-organização

As partículas (átomos ou moléculas) se auto-organizam. Temos muitos exemplos na natureza, já comentados anteriormente, como por exemplo, a formação de cristais salinos, a formação de cristais de neve, entre outros. Na indústria é um processo relativamente, novo. Pretende-se, utilizar este processo para a obtenção de materiais sem gerar produtos secundários e/ou resíduos. Até o presente momento, apenas estruturas mais simples são gerados. A partir de simulações computais e conhecimento das diferentes energias envolvidas pode-se simular as prováveis estruturas que, seriam energeticamente, mais favoráveis. Paralelamente, forças externas como campos elétricos ou magnéticos podem ser aplicadas para acelerar o processo de auto-organização das partículas geradas. Neste contexto da auto-organizam incluem-se a obtenção dos nanotubos de carbonos, tanto os de parede simples, NCT, quanto os de múltiplas paredes, MWNCTs.

Os nanotubos de carbono, do inglês CNT, são cilindros ou tubos ocos formados por uma folha de átomos de carbono enrolada, portanto a espessura da parede é de apenas um átomo de Carbono, o diâmetro do tubo da ordem de alguns nanômetros enquanto o comprimento do nanotubo pode alcançar alguns micros. É um material mais resistente do que o aço, mas muito mais leve. Descobertos em 1991 por Sumio Iijima constituem uma nova classe de material muito estudado por cientistas e já com inúmeras aplicações. A depender da sua síntese, pode ser condutor ou semiconduntor. Os nanotubos metálicos apresentam condutividade superior a do Cu enquanto os semi-condutores são comparáveis ao Si. Nestas condições se aplicado como carga em materiais poliméricos, (plásticos ou borrachas) podem gerar um compósito com baixa resistividade elétrica. (incluir algumas referências). As propriedades finais dos nanotubos dependem do ângulo de enrolamento e do diâmetro do nanotubo. Existem no mercado os nanotubos de parede simples, CNT, e de múltiplas paredes, MWCNT mais econômicos, mas já com boas propriedades mecânicas. CNTs de boa qualidade podem apresentar módulo de elasticidade de ca. 1000GPa, ou seja, ca. de 5 x superior ao aço e uma tensão de ruptura da ordem de 63GPa (ca. de 50x superior ao aço), e muito mais leves. O seu alto potencial como carga consiste no fato de, já um baixo teor de NCT (5 – 15 phr) conferem alto incremento nas propriedades mecânicas sem afetar a densidade do material.

  1. c) manipulação atômica,

A manipulação atômica, é muito laboriosa, apenas factível com o uso de ultramicrosópios, é ainda uma quase ficção científica. Tem-se o exemplo da manipulação dos átomos de Xenônio, sobre uma superfície metálica de Níquel, resultando no logo da empresa IBM, realizada pelos cientistas desta Empresa. Existe a especulação de se criarem máquinas minúsculas capazes de se auto-multiplicarem conhecidas como “grey goo”. Até o presente momento, constitui-se em uma ficção cientifica a aplicação industrial desta técnica.

A Figura 7 apresenta alguns exemplos de nanopartículas e nanoestruturas obtidas a partir do processo Botton-up.

 

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manipulação atômica

 

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Síntese química: Partículas ferromagnéticas

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c) NCT

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NCT e MWNCT com as respectivas dimensões

 

Figura 7. Imagens de nanoparticulas obtidas pelo processo Botton up; a) logo da IBM escrito com átomos de Xe, b) nanopartículas ferromagnéticas sintetizadas, c) e d) imagens de nanotubo de parede única (NCT) e de multiparede (MWNCT) Fonte: Imagens Google acessado em 29/10/2014

 

Processo Top-down

Neste processo parte-se de um bloco, uma peça grande e a partir do desbaste, a moagem ou ataque químico procede-se a redução do tamanho da peça, como por exemplo, em circuitos de microships que são obtidos por técnicas de precisão de engenharia e litografia. Tem sido utilizado para o desenvolvimento e refino de semicondutores há muitos anos. Os métodos Top-down são precisos, confiáveis e são capazes de gerar dispositivos de alta complexidade, no entanto envolvem mais energia e geram mais resíduos do que o método botton-up. Mas até o presente momento, a produção de ships segue esta metodologia.

Dentre deste processo, e de interesse para a nossa área de borrachas e elastômeros, encontramos as argilas e os flakes de grafite, que por um processo adequado de Top-down podem constituir-se em importantes nanocargas para compósitos poliméricas.
A argila como carga manométrica

Um dos primeiros trabalhos mencionados com o uso da argila é atribuído a A. Okada e colaboradores6 do grupo de pesquisa da Toyota os quais relatam o efeito da incorporação de argilas em matriz de nylon. Igualmente, foi publicado em 1993, outro trabalho onde os autores Y. Kojima et al7 mostram a influência do teor da argila sobre o módulo elástico do nylon, que, com aproxidamente, 7 phr de argila montmorillonita alcançaram um incremento de um fator 4 no módulo elástico a 120°C.

A montmorilonita é derivada da pirofilita, que possui uma estrutura de filossilicato do tipo 2:1 (Figura 8). É abundante na natureza e de custo acessível. A estrutura da MMT consiste de placas bidimensionais formadas pela combinação de dois tetraedros de silicato com Magnésio ou Alumínio para formar um octaedro. A substituição isomórfica dentro das placas gera cargas negativas que são normalmente contrabalanceadas por cátions metálicos dos grupos I e II, chamados cátions trocáveis. As placas de argila são unidas por forças de Van der Waals e organizadas em camadas com um intervalo regular entre as mesmas, as intercamadas ou galerias, dentro das quais situam-se os cátions trocáveis. O grau de expansão da MMT é determinado pela categoria destes cátions. A pressão de expansão da MMT na qual íons sódio constituem a maioria dos cátions adsorvidos (chamada Na-MMT) é muito alta, permitindo a esfoliação e dispersão do cristal em placas individuais7. As placas individuais possuem uma alta razão de aspecto, tendo cerca de 1 nm de espessura e um diâmetro de várias centenas de nanômetros8

 

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Figura 8. Origem e estrutura da montmorilonita adaptada10

 

Esta estrutura lamelar da montmorillonita faz com que a mesma seja uma carga apropriada para diminuir a permeabilidade a gases. Em trabalho descrito por Messersmith, E.P. Gianneis, J11 a incorporação de 5% em volume de argila em uma poli(carprolactona) reduziu de um fator 5 a permeabilidade à água.

Uma outra propriedade que vem aumentando com a incorporação da argila é a estabilidade térmica. A incorporação de sílica em poliamida resultou em um aumento de 200°C da estabilidade térmica, estipulada a partir de dados termogravimétricos12

No entanto, um dos grandes desafios de se utilizar a argila como nanocarga reside no fato da dificuldade de se alcançar um alto grau de esfoliação por processos usuais de mistura. Em borrachas o processo se torna ainda mais difícil, dado à alta massa molecular e aplicando-se processos tradicionais apenas baixos graus de dispersão são alcançados. O fato da argila ser um mineral iônico, existe baixa afinidade desta carga com a matriz polimérica. Para superar, parcialmente, este efeito e ainda aumentar o espaço interno entre as galerias da argila, realiza-se a substituição dos cátios metálicos por cátions orgânicos, derivados de amônio, com longas cadeias de radicais orgânicos tendo-se as argilas organicamente modificadas, a OMMTs. De qualquer forma, a partir dos métodos clássicos, tem-se dificuldades de alcançar-se altos graus de esfoliação. Segundo a literatura formam-se, basicamente, 03 estruturas da argila em uma matriz polimérica, os tactóides, a estrutura intercalada e a estrutura esfoliada (a mais desejada), (Figura 8).

 

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Figura 8. Representação esquemática das estruturas propostas para as argilas em uma matriz polimérica, adaptada13

Em um trabalho recente, Azeredo, Jacobi e Schuster14 utilizaram-se da afinidade que a argila MMT tem com água, e através de um processo inédito denominado de coagulação dinâmica, misturam a MMT inchada em água, ao látex de borracha, sob fluxo e sob pressão, coagulando os dois em um processo dinâmico. Desta forma, puderam ser obtidos nanocompósitos de NBR/MMT, com alto grau de dispersão da argila na matriz e boas propriedades mecânicas já com teores de carga relativamente, baixos.

Se por um lado as argilas se apresentam como uma carga nano alternativa, o grande desafio é desenvolver uma tecnologia de incorporação compatível, economicamente e aplicável no meio produtivo. Além disso, devemos sempre ter em mente, que as borrachas, diferentemente dos plástico, ainda necessitam do processo de vulcanização sob temperatura e pressão, e provavelmente, durante este processo tem-se novamente, uma reaglomeração das cargas, porque como já foi citado, anteriormente, nanocargas, apresentam na sua superfície muitos átomos com suas cargas não compensadas, o que necessariamente, com o calor e a pressão pode resultar em uma reaglomeração.

Além das argilas, surgem no mercado a um preço compatível, os nanotubos de carbono de paredes múltiplas assim como os grafites normais e expandidos. Quanto aos nanotubos, já estão surgindo vários trabalhos nos quais estes são aplicados, sozinhos ou como carga complementar ao negro de fumo, nos chamados compostos híbridos, observando-se que, já em baixos teores, os mesmos imprimem um excelente grau de reforço à matriz15-16. Os nanotubos, dado ao fato de poderem ser condutores ou semicondutores, a presença dos mesmos como carga, pode gerar compostos com baixa resistividade elétrica. O mercado dos nanotubos como carga de borracha apresenta-se muito promissor.

De uma maneira um pouco diferente, os grafites normais e os grafites expandidos, igualmente, constituídas de camadas, ligadas entre si por forças de Van der Waals, apesar de esperar-se uma boa afinidade dos mesmos com as matrizes poliméricas, são difíceis de serem esfoliados ao nível de camadas individuais. Aqui também necessita de estudos e métodos alternativos de incorporação para usuais do potencial desta cargas.

 

Conclusão:

A nanotecnologia está revolucionando o século XX e XXI. O mundo nano é surpreendente e a cada dia a natureza nos surpreende com as suas estruturas auto-organizadas a partir de minúsculas partículas ou blocos de construção. Com certeza, nos próximos anos, vamos nos surpreender com o efeito de nanocargas geradas a partir do processo Top-down, a partir de materiais presentes na natureza. O desafio consiste em sermos capazes de desestruturar estes materiais auto-organizados até, os seus blocos básicos, no caso das argilas, as placas e no cado do grafite, chegarmos até os grafenos.

Além disso, precisamos aprender a construir estruturas a partir do processo botton-up, manipulando os átomos e ou as moléculas. Grandes sucessos estão sendo alcançados em laboratórios, mas a transposição para o meio produtivo, ainda enfrenta grandes desafios.
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  3. Figura com a legenda traduzida adaptado da referência 1
  4. Durán, L.H.C. Mattoso e P.C.de Noraes. Nanotechnogia, Artliber, 2012.
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  17. EUR 21151 — Nanotecnologias – Inovações para o mundo de amanhã, tradução da versão alemã, Nanotechnologie: Innovation für die Welt von morgen que pode ser encontrado no site http://www.bmbf.de/de/nanotechnologie.php.