Os nanomateriais são normalmente definidos como compostos com menos de 100 nm de tamanho com uma ou mais dimensões espaciais. Devido às suas características físico-químicas sustentáveis, como ponto de fusão, molhabilidade, propriedades ópticas e elétricas, condutividade térmica e atividade catalítica, os nanomateriais ganharam popularidade em várias aplicações.

Ao longo do último meio século, a nanotecnologia forneceu a base para aplicações industriais além do imaginável. O uso de nanomateriais artificiais está aumentando a uma taxa exponencial, assim como a conscientização pública sobre a nanosegurança e os perigos que representam para a saúde humana, o meio ambiente e a sociedade. 

A estimativa do mercado global de nanomateriais variou de 4,1 a 14,7 bilhões de dólares em 2015 e espera-se uma taxa de crescimento anual de 22% até 2025. O crescimento da indústria é impulsionado pela demanda de materiais com alta resistência, novos e duráveis que surgem de aplicações, pesquisa e desenvolvimento na área da nanobiotecnologia.

Os nanomateriais são usados em pesquisa e tratamento biomédico, incluindo bioimagem e biossensores, engenharia de tecido ósseo e antifúngicos. Além disso, os nanomateriais têm sido amplamente utilizados na medicina para o tratamento de várias doenças, incluindo doenças pulmonares crônicas, doenças autoimunes e câncer. 

O conhecimento do mecanismo de toxicidade induzida por nanopartículas é extremamente importante. Os nanomateriais representam um perigo potencial para a saúde do ambiente natural devido ao seu uso sem controle de dosagem e o descarte de resíduos.

No aspecto ambiental, o efeito da exposição dos nanomateriais às plantas é muito afetado pelas características de seus materiais, como agregação das partículas, propriedades de superfície e dissolução. Já no corpo humano, as nanopartículas podem entrar por inalação, ingestão ou penetração na pele.

Algumas nanopartículas, como os nanotubos de carbono por exemplo, podem induzir a formação de tumores, semelhante à toxicidade das fibras cancerígenas de amianto. 

Ao contrário dos estudos de toxicidade convencionais (por resultado experimental), os ômicos permitem o estudo de alterações moleculares celulares simultaneamente em modelos animais e celulares. 

Inovações recentes em instrumentação, ferramentas bioinformáticas e tecnologias modernas de triagem são aplicadas para prever e estimar a segurança das aplicações dos nanomateriais. A caracterização ômica demonstra que os efeitos moleculares dos nanomateriais podem variar de acordo com suas propriedades físico-químicas. 

Por exemplo, as nanopartículas usadas para estimular reações bioquímicas específicas em plantas podem desempenhar um papel na promoção do crescimento vegetal e na sobrevivência de plantas em condições abaixo do ideal, mas é difícil avaliar a segurança do consumo dessas plantas.

Concluindo, a toxicidade dos nanomateriais ainda é um campo a ser muito estudado. Para modelar e prever melhor a adaptação a longo prazo de um sistema biológico exposto aos nanomateriais, é essencial realizar estudos sistemáticos e integrativos. Ou seja, o compartilhamento de informações sobre nanotoxicidade é algo fundamental para avançarmos no entendimento do assunto.

Sendo assim, os nanomateriais trazem aplicações extensas e vantajosas devidos às suas propriedades particulares. Porém, devemos ter um certo cuidado ao manusear esses materiais até termos uma visão mais clara sobre seus danos à saúde.

O trabalho descrito nesse artigo avalia a performance de uma unidade de nanofiltração de membrana de titânia (TNU) que consiste em dois containers de 12,2 m de comprimento, para tratamento de águas recicladas do processo de obtenção de petróleo em minas de areias betuminosas. 

A corrente de rejeitos desse processo é composta de aproximadamente 44% em peso de água, 1% em peso de betume residual e 55% em peso de sólidos, dos quais 82% em peso são areia e 17% em peso são sólidos suspensos (TSS) e ainda a presença de metais pesados e moléculas orgânicas indesejáveis (TOC). 

Cada módulo de separação é composto por 45 membranas de titânia, e cada membrana, com comprimento de de 1200 mm, possui 151 canais com aproximadamente 2 mm de diâmetro (Figura 1). As membranas de TiO2 da unidade são cilíndricas e multicamadas e a camada de separação possui poros com diâmetro médio de 0,9 nm (Figura 2). Os parâmetros para caracterizar o desempenho da TNU são a presença de íons, partículas sólidas suspensas (TSS) e carbono orgânico total (TOC) na corrente permeada.

Figura 1: (a) Módulo de separação com 45 membranas e (b) membrana de titânia com 151 canais.

Os resultados registram uma diminuição da carga iônica no permeado, variando entre aproximadamente 45- 75% dependendo do tipo de íons; porém, a rejeição de TOC e TSS na nanofiltração foi altamente satisfatória, atingindo a retenção acima de 75% e praticamente 100%, respectivamente. Também se apresentou uma redução do fluxo do 63% devido ao fouling. Após de aproximadamente 1500 h foi necessária uma limpeza química in situ que recuperou 10% do fluxo prévio ao fouling. 

Adicionalmente, os resultados mostram que os fluxos reduzidos por causa do fouling permitiram uma rejeição maior de partículas. O artigo conclui que a implementação da TNU para tratamento de água de mineração em escala industrial é possível e pode ser utilizada em conjunto com outras técnicas, como a osmose reversa, para reduzir significativamente a coleta de água dos rios e o armazenamento da água processada.

Com o rápido crescimento e desenvolvimento de big data, inteligência artificial e computação em nuvem nas últimas décadas, o campo da agricultura passou por uma transformação radical e entrou na era da agricultura inteligente. 

Enquanto a agricultura tradicional analisa e resume principalmente o crescimento das culturas por meio de inspeção visual ou experiência de trabalho, a agricultura inteligente monitora principalmente as informações nas atividades de produção agrícola, como pH, temperatura ambiente e umidade em tempo real por meio de sensores distribuídos. 

Do ponto de vista do meio ambiente, economia e confiabilidade a longo prazo, o desenvolvimento de fontes de energia renováveis no ambiente agrícola é ideal para fornecer energia aos sensores agrícolas.

A utilização atual da energia solar é principalmente através de células solares para alcançar a geração de energia fotovoltaica. No entanto, a eficiência de conversão fotoelétrica atual é muito baixa para formar um sistema de geração de alta potência devido à baixa densidade de potência da geração de energia fotovoltaica. 

Além disso, as desvantagens da geração de energia fotovoltaica, como limitação pelo clima, alto custo de materiais à base de silício e alta poluição ambiental, limitam o uso generalizado da geração de energia fotovoltaica na agricultura.

Os TENGs (triboelectric nanogenerators - nanogerador triboelétrico) é uma tecnologia emergente de coleta de energia e atraiu o interesse de pesquisa de muitos estudiosos devido à sua estrutura simples, alto rendimento, baixo custo, diversas opções de materiais e capacidade de coletar energia mecânica irregular, distribuída e de baixa frequência, que estão presentes no ambiente agrícola.

Como uma tecnologia promissora para colheita de energia mecânica, o nanogerador tem várias vantagens sobre os geradores eletromagnéticos tradicionais, como tamanho pequeno, peso leve, baixo custo de fabricação, estrutura diversificada, alta densidade de potência e alta eficiência.

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia, esses nanogeradores que podem colher simultaneamente energia do vento, gotas de chuva e do fluxo da água é proposta e demonstrada pelos autores, desde que toda e qualquer energia no ambiente possa ser usada para atender à demanda de energia para qualquer clima.

Figura 1: TENGs para detecção auto alimentada de informações agrícolas; diagrama esquemático da energia gerada por filmes poliméricos multicamadas que alimenta a operação do sistema de estufa. Fonte: (Dai et al. 2022).

Em seguida, os autores realizaram testes mecânicos nas amostras e chegaram à conclusão de que a viabilidade do processo proposto é comprovada pela produção bem-sucedida dos compósitos com estruturas altamente ordenadas de fibras alinhadas. 

O artigo apresenta vários setores além da onde esses nanogeradores podem ser aplicados, tais como: fixação de nitrogênio (para a produção de fertilizantes), crescimento de colheita (para garantir que os produtores agrícolas possam obter os benefícios econômicos desejados por meio do cultivo agrícola), purificação do ar (que afetam muito o crescimento de plantações e animais) e purificação da água.

As amplas aplicações de sensores inteligentes na agricultura levaram ao desenvolvimento da agricultura em direção à modernização, informatização e inteligência. Sensores sustentáveis, sem manutenção e amplamente distribuídos são o pré-requisito e a chave para obter informações agrícolas em uma grande área.

Sendo assim, os autores apontam alguns conjuntos principais para a aplicação desses nanogeradores são a integração e miniaturização do sistema, estabilidade e durabilidade, precisão de detecção, performance e demanda comercial. 

Concluindo, mesmo a agricultura ser uma técnica milenar, ela não está restrita ao avanço da humanidade e, com isso, da tecnologia. Desenvolver e aperfeiçoar equipamentos (com diferentes materiais) para vencer condições climáticas mais diversas para garantir a produtividade agrícola é uma atribuição extremamente importante e reforça a importância do papel do engenheiro de materiais na nossa sociedade.

Devido ao seu baixo peso, alta ductilidade e excelente resistência, os compósitos de matriz de alumínio (Al) e ligas de alumínio têm atraído crescente interesse nos campos automotivo, aeroespacial e de defesa nacional. 

Muitos estudos sobre alumínio reforçado com diferentes materiais foram realizados recentemente, reforços tais como fibras de carbono (CFs - carbon fibers), nanotubos de carbono, fibra de grafite, grafeno e assim por diante. O baixo custo e as propriedades mecânicas superiores das fibras de carbono são experimentalmente melhores do que as de outros reforços.

Além disso, a impressão 3D atrai enorme atenção devido à sua alta precisão, baixo custo e curto tempo de fabricação. Vários materiais podem ser impressos usando diferentes técnicas, como metais, cerâmicas, cimentos, polímeros e materiais biológicos, o que permite sua aplicação em campos variados.

No trabalho realizado pelos autores, foram produzidas quatro amostras com diferentes arranjos de fibras de carbono alinhados em camadas de alumínio usando uma impressora 3D baseada em SLA (Stereolithography Apparatus), que ocorre por fotopolimerização.

Os autores organizaram as fibras de maneira aleatória, paralela, circular e ortogonal. Após a impressão das amostras e da sinterização, analisaram as microestruturas, reação da interface e propriedades mecânicas dos compósitos CFs/Al (fibras de carbono/alumínio). 

Dos materiais usados na pesquisa, foram utilizados: resina fotossensitiva, pó de alumínio esférico (tamanho de partícula de 48 μm e 99,7% de pureza) e fibras de carbono com diâmetro médio de 7 μm e comprimento médio de 2 mm.

Um detalhe importante que os autores apontam na preparação das amostras é que para reduzir as cavidades gasosas nas estruturas e melhorar as propriedades mecânicas dos materiais compósitos produzidos, a quantidade da resina fotossensível deve ser minimizada de modo que a amostra esteja completamente curada, ou seja, sem excesso de resina na peça.

O processo de impressão 3D foi da seguinte forma: a suspensão do compósito era depositada na mesa de impressão e o mecanismo de raspagem era movido horizontalmente e uma parte da suspensão fica aderida na superfície (onde se obtém a primeira camada), assim, dá-se início ao processo de cura e o mecanismo movia-se horizontalmente para dar início a outra camada. Após todo o processo, as peças foram sinterizadas - para remoção total da resina.

Figura 1: Diagrama esquemático dos processos de impressão 3D: a linha pontilhada amarela representa o arranjo paralelo e a seta preta representa o arranjo ortogonal. Fonte: (Liang et al. 2022).

Em seguida, os autores realizaram testes mecânicos nas amostras e chegaram à conclusão de que a viabilidade do processo proposto é comprovada pela produção bem-sucedida dos compósitos com estruturas altamente ordenadas de fibras alinhadas. 

Figura 2: Imagem do microscópio eletrônico de varredura das fibras alinhadas (c) aleatoriamente e (d) paralelamente. Fonte: (Liang et al. 2022).

Os resultados dos testes mecânicos mostraram também que o arranjo paralelo teve o maior alongamento, que é cerca de 0,4 vezes maior que o arranjo aleatório. Além disso, o arranjo ortogonal teve a maior resistência ao impacto, que foi cerca de 0,8 vezes maior que o arranjo aleatório. 

Com isso, os autores demonstram que o arranjo específico de fibras pode melhorar anisotropicamente as propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com fibras e contribuir para as indústrias - principalmente as automotivas, aeroespaciais e de defesa nacional, que são de grande interesse mundial.

Defeitos ósseos de tamanho crítico são aqueles que não cicatrizam espontaneamente, sem intervenção médica. Eles podem surgir por trauma, má cicatrização de fraturas e remoção óssea após infecção grave ou ressecção de tumor.

O padrão atual de tratamento é reconstruir o defeito com osso de uma região diferente do esqueleto humano e estabilizar com implantes fixados ao osso. Isso tem limitações, incluindo a quantidade de osso disponível para transferência sem causar morbidade no paciente e o aumento do risco de infecção.

O uso da manufatura aditiva está aumentando rapidamente na área da saúde, particularmente nas áreas de odontologia e ortopedia. Um dos principais benefícios dessa abordagem é o potencial para implantes personalizados. 

Ao reconstruir um objeto a partir de tomografias 3D dos defeitos ósseos e fazer engenharia reversa do local danificado, um implante pode ser produzido com dimensões exatas para reparar o defeito. 

Existem inúmeras técnicas e materiais disponíveis, de modo que metais, cerâmicas e polímeros podem ser fabricados para aplicações ortopédicas específicas. O estudo realizado pelos autores investigou o uso da modelagem de deposição fundida (FDM - fused deposition modeling) para a reconstrução óssea.

Esse método de fabricação é disponível a um custo relativamente baixo e representa uma técnica economicamente viável para produzir implantes personalizados. Outra vantagem é o nível de controle sobre os parâmetros de projeto. Por exemplo, materiais, macroporosidade e geometria de preenchimento podem ser todos refinados de modo que o scaffold possa ser ajustado em termos de adesão celular, infiltração celular e rigidez.

O material utilizado pelos autores foi o LayFomm (PoroLay) - uma mistura de polímeros de álcool polivinílico (PVA) e poliuretano (PU).

Neste estudo, os autores estudaram o uso do LayFomm como material para o scaffold para a diferenciação in vitro de células-tronco de polpa dentária (DPSCs - dental pulp stem cells) e produção de matriz óssea semelhante ao do osso. Em seguida, o scaffold foi implantado por via subcutânea para determinar a resposta de corpo estranho ao material. 

Com isso, os scaffolds foram implantados em defeitos mandibulares em um modelo de roedor in vivo para determinar o potencial de crescimento ósseo e cicatrização do defeito.

Segundo os autores, o poliuretano usado neste estudo permitiu uma rápida fixação celular, com uma eficiência de 68% após apenas 3 horas de implementação. Isso pode ser atribuído à tendência do material ser atraído pela água (hidrofílico) e também à sua microporosidade. 

Figura 1: Scaffolds desenvolvidos com o material LayFomm, mostrando o aparecimento de microporos após a remoção do PVA (álcool polivinílico). Fonte: (Cooke et al. 2020).

A microporosidade proporcionou uma área de superfície maior e demonstrou aumentar a adesão de proteínas, a adesão e a proliferação celular, além de desempenhar um papel crítico na osteogênese nos scaffolds ósseos. 

Os autores mostraram também que a capacidade do LayFomm de absorver e liberar quimioterápicos foi ativa por um período de 14 dias, o que demonstrou a formação óssea in vivo.

As células-tronco da polpa dentária (DPSCs - dental pulp stem cells) foram utilizadas neste estudo para análise in vitro devido à sua rápida taxa de proliferação e capacidade de sofrer diferenciação osteogênica na presença dos fatores apropriados. De acordo com os autores, os scaffolds foram capazes de proliferar, diferenciar e produzir matriz óssea.

Este foi o primeiro estudo a caracterizar o LayFomm como um material potencial para regeneração óssea in vitro e in vivo. A formação bem-sucedida da matriz óssea foi promissora, como uma estratégia de reparo ósseo utilizando um scaffold, o que pode ser útil no reparo de defeitos craniofaciais. 

Os autores afirmaram que um caminho interessante para uma investigação mais aprofundada nesta área é a entrega de agentes terapêuticos dentro dos microporos do material para aumentar ainda mais sua capacidade de formação óssea.

Por fim, os autores concluem que defeitos ósseos de tamanho crítico são um cenário desafiador para médicos e pacientes. Um scaffold desenvolvido com um material com grande potencial como o LayFomm permite o crescimento ósseo enquanto fornece suporte estrutural ao osso tem o potencial de ajudar milhões de pacientes em todo o mundo.

Os materiais cerâmicos para uso como blindagem balística devem ser suficientemente rígidos para fragmentar o projétil (bala) e reduzir sua velocidade, transformando em pequenos fragmentos que devem ser retidos pela camada de material flexível que suporta a cerâmica. 

Assim, é necessário que o material cerâmico apresente um alto módulo de elasticidade e alta dureza. Além disso, a tenacidade à fratura também é um requisito muito importante para esta aplicação.

Os principais materiais cerâmicos utilizados comercialmente no desenvolvimento de armaduras balísticas são Al2O3 (alumina), B4C (carbeto de boro), SiC (carbeto de silício) e compósitos de matriz cerâmica (CMCs - ceramic matrix composites).

Em contramão, o alto custo, impedimentos de processamento e restrições para prever o desempenho balístico a partir das propriedades do material são algumas desvantagens das armaduras de cerâmica.

A alumina apresenta a melhor relação custo-benefício entre as cerâmicas avançadas, apresentando alto módulo de elasticidade, alta refratariedade, alta dureza e custo relativamente baixo. No entanto, devido à sua baixa tenacidade à fratura e baixa resistência à flexão, o desempenho balístico da alumina é inferior quando comparado ao SiC e B4C.

Um sistema de blindagem balística consiste em várias camadas. A primeira camada geralmente é formada por materiais cerâmicos cuja função é amortecer o impacto inicial do projétil. Essa camada deve fraturar a ponta do projétil dissipando grande parte da energia cinética da massa do fragmento do projétil e melhorar a distribuição da pressão de impacto na segunda camada. 

A segunda camada, também chamada de suporte, é formada por materiais dúcteis, geralmente metálicos. Sua função é absorver a energia cinética dos fragmentos derivados do projétil residual e da cerâmica por deformação plástica.

O projeto de uma blindagem utilizando materiais cerâmicos deve considerar que a fratura deste material está associada a cargas instantâneas em impactos balísticos, que são bem diferentes daquelas associadas a cargas estáticas.

Não é possível garantir uma correlação efetiva entre o desempenho balístico e uma única característica ou propriedade do material, devido à natureza dinâmica do evento ocorrendo em intervalos de tempo que variam de nano a microssegundos. Assim, testes balísticos sob certas condições são sempre necessários para determinar a eficácia dos sistemas de proteção.

O desenvolvimento da cerâmica balística requer uma avaliação criteriosa das propriedades físicas e mecânicas do material, a fim de se obter placas balísticas com desempenho adequado ao nível de proteção exigido. 

O objetivo do trabalho realizado pelos autores foi de caracterizar placas balísticas à base de alumina e avaliar seu desempenho em situações onde altos níveis de energia cinética são requeridos.

Três composições de alumina foram usadas neste estudo: com 92%, 96% e 99% em peso de alumina. As composições foram caracterizadas por medições de dureza Vickers e resistência à flexão em quatro pontos.

De acordo com os resultados obtidos pelos autores, as composições 92% e 99% em peso de alumina apresentaram resultados comparáveis entre si, maior dureza Vickers e maior resistência à flexão do que a composição de 96% em peso de alumina. No entanto, a composição de 92% foi selecionada para testes balísticos devido à sua menor porosidade.

Os autores determinaram que, ao utilizar placas de alumina com 12 mm de espessura submetidas a um procedimento baseado na norma NIJ-0108.01 (Ballistic Resistant Protective Materials - Law Enforcement Standards Laboratory of the National Bureau of Standards), os fragmentos do projétil não penetraram ou causaram deformação em nenhum dos suportes (placas metálicas) de cinco placas testadas no total. 

Com esse resultado, os autores concluíram que todas as placas testadas foram aprovadas nos testes balísticos.

Figura 1: Resultados dos disparos efetuados nas placas balísticas elaboradas a partir da composição 92% em peso de alumina: (a) vista frontal antes do impacto, (b) vista frontal após o impacto do projétil e (c) detalhe do impacto local do  projétil na superfície da alumina após a remoção dos fragmentos. Fonte: (Silva et al. 2014).

Leonardo da Vinci nasceu em 15 de abril de 1452 em Vinci, Itália, muito perto de Florença. Um artista extremamente talentoso, também mostrou uma capacidade singular em projetar máquinas militares e, inspirado por sua paixão por aves, aparatos que poderiam permitir o impossível naquela época: voar.

Da Vinci trabalhou ativamente em pintura e esculturas, mas também desenhou armas e edifícios. Entre 1485 e 1490, Leonardo produziu vários tipos de objetos, como máquinas voadoras, produção teórica da matemática (incluindo a geometria e a mecânica), construção civil, canais de água para as cidades italianas e projetos de arquitetura. Além disso, Leonardo também se aventurou na “ciência do mar” e projetou submarinos.

Infelizmente, devido ao seu envolvimento em muitos e diferentes projetos, deixou vários deles inacabados, ficando apenas os desenhos para as gerações futuras.

E qual a importância de Leonardo da Vinci para a engenharia e para a área de materiais?

Bom, um dos pontos altos de Leonardo para a área de materiais foi no campo do atrito. No entanto, sua contribuição não é amplamente reconhecida. Da Vinci percebeu que o que impede o movimento perpétuo de um objeto é o atrito.

Além de ser um observador detalhista da natureza e do seu funcionamento, Leonardo chegou a essa conclusão sobre essa perda parcial de movimento estudando o voo dos pássaros e o nado dos peixes.

Ele fez experimentos importantes com objetos pesados, deixando-os escorregar em planos inclinados. 

Consequentemente, ele descobriu relações importantes entre os três parâmetros que são determinantes no fenômeno do atrito: o peso do objeto, a natureza das superfícies em contato e o ângulo de inclinação do deslizamento. Ele também concluiu que o atrito é independente da área de contato entre o objeto e a superfície onde ocorre o deslizamento.

Figura 1: Desenhos do aparelho experimental para medições de atrito de Leonardo da Vinci, presentes em suas anotações. Fonte: (Oliveira. 2019).

Leonardo também realizou alguns experimentos para medir os parâmetros envolvidos no atrito, como uma análise no que hoje é conhecido como coeficiente de atrito: a razão entre a pressão (força normal), as superfícies em contato e a força tangencial (força de atrito).

Um outro ponto importante de seus estudos foi na resistência dos materiais, onde Leonardo Da Vinci descreveu, em suas anotações, um experimento para estudar a resistência à tração de um fio metálico. Mas como foi esse experimento?

Basicamente, Da Vinci suspendeu uma cesta em um fio metálico com uma determinada espessura e comprimento. 

A cesta foi sendo lentamente preenchida por areia (vinda de outra cesta presa) e, no momento em que o peso fosse tanto que rompesse o fio metálico, a areia na cesta seria pesada para estabelecer a resistência à tração do fio.

Figura 2: Experimento da cesta suspensa de Leonardo da Vinci. Fonte: (Lund e Byrne. 2001).

Da Vinci realizou o mesmo experimento com o mesmo fio com a metade do comprimento inicial e, posteriormente, com um quarto do comprimento inicial. Concluindo que quanto maior o volume de um material, maior é a probabilidade de apresentar zonas defeituosas, favorecendo a falha.

Grande parte das máquinas desenhadas (e projetadas) por da Vinci já antevia uma modernidade que estava longe de acontecer. Suas máquinas de guerra, submarinos, carros de assalto, canhões, metralhadoras, parafuso voador (ancestral do helicóptero), pontes giratórias e tantos outros foram ideias precursoras de muitas tecnologias modernas de hoje.

Figura 3: Invenções de Leonardo da Vinci: (A) Um rolamento de esferas e (B) um parafuso para rolamento de esferas. Fonte: (Oliveira. 2019).

As obras de Leonardo da Vinci, no que diz respeito à suas máquinas, foram de extrema importância pois deram uma contribuição notável às ciências da engenharia em suas diversas modalidades: civil, mecânica, metalúrgica, materiais, naval e até aeronáutica. Um gênio além de seu tempo, teve um vislumbre da tecnologia que viria a ser criada séculos depois.

O concreto é um dos materiais de construção mais comuns usados na construção em todo o mundo devido à facilidade de moldagem em qualquer forma estrutural durável prevista. 

Atualmente, as barras de aço em concreto armado estão sendo substituídas por diversos outros materiais, tais como as fibras curtas. Muitas propriedades do concreto podem ser melhoradas pela adição dessas fibras, como a resistência e a ductilidade.

Para introduzir o assunto, o concreto reforçado com fibras (FRC - fiber-reinforced concrete) é definido como “concreto de cimento hidráulico incorporando agregados finos ou finos e graúdos e fibras discretas irregulares”. As fibras podem ser de aço, plástico, vidro ou materiais naturais, e todos esses tipos são usados em concreto em várias formas e tamanhos.

As fibras orientadas aleatoriamente impedem o mecanismo de microfissuração e limitam a propagação da trinca. A adição de fibras curtas à mistura de concreto tem melhorado a resistência à compressão, durabilidade, resistência à tração, resistência à flexão e resistência ao impacto, produzindo uma matriz homogênea e isotrópica. 

Além disso, a fração volumétrica e a área superficial específica das fibras devem ser consideradas como os parâmetros importantes mais afetados no concreto reforçado, assim como a relação entre o comprimento da fibra dividido pelo seu diâmetro.

A respeito do concreto reforçado com fibras, quando dois ou mais tipos de fibras são combinados de forma a produzir um compósito, este compósito é chamado de híbrido. Além disso, o reforço do concreto usando fibra híbrida dá a oportunidade de projetar um sistema mais forte, mais rígido, mais flexível e dúctil para melhorar a resistência à fissura e a resistência final em comparação com o concreto reforçado simples.

Nos últimos anos, a fibra híbrida tem sido considerada um dos materiais mais favoráveis para o reforço e reparo de construções de concreto. Em geral, o concreto simples tem baixa resistência à tração e baixa resistência à fissuração. A hibridização de fibras usa vários tipos de fibras para suportar a resistência dessas fissuras na construção de concreto.

A respeito dos materiais utilizados neste artigo, os autores citam os principais: o cimento utilizado foi o Cimento Portland (mais comum), fibra de vidro (GF - glass fiber) e fibras de polipropileno (PPF - polypropylene fibers). Os autores citam que o uso de fibras no concreto apresenta muitas vantagens, como facilidade de processamento, baixo peso específico, adsorção de água quase zero, boa resistência química, ampla disponibilidade e baixo custo.

Figura 1: Fibras utilizadas neste estudo: (1) fibra de vidro (GF - glass fiber) e (2) fibra de polipropileno (PPF - polypropylene fibers). Fonte: (Mohammed et al. 2022).

De acordo com os resultados dos testes obtidos pelos autores, as seguintes conclusões podem ser tiradas do artigo: o aumento do teor da fibra de vidro aumentou a resistência à compressão nos concretos reforçados com fibras (FRC), nos concretos de alta resistência (HSC) e nos concretos leves (LWC). 

Em relação à influência das fibras na resistência à compressão, os autores citam que usando 0,7% em peso da fibra de vidro nos concretos leves (LWC) e nos de alta resistência (HSC) aumentou a resistência à compressão até 46% e 23%, respectivamente. Já o uso da fibra de polipropileno causou redução na resistência à compressão de ambos em 5% e 3%, respectivamente.

Entretanto, a mesma porcentagem em peso da fibra de vidro aumentou a resistência à tração do concreto leve (LWC) e do concreto de alta resistência (HSC) em até 47,62% e 21,1%, respectivamente.

Em relação às fibras híbridas, as fibras com teor de 0,5% em peso da fibra de vidro + 0,5% em peso da fibra de polipropileno, apresentaram melhor proporção híbrida e afetaram positivamente na resistência à tração de ambos os concretos.

Concluindo, este estudo traz uma visão importante para o desenvolvimento de novas formas de desenvolver concretos mais leves e mais resistentes para um setor da indústria que está sempre em atividade no mundo. Reforçando a importância da contribuição da engenharia de materiais para as áreas de pesquisa em materiais compósitos com a construção civil.

O fosfato de cálcio é um tipo de cerâmica bioativa composta por íons de cálcio e fósforo. Por sua composição química ser semelhante ao tecido ósseo natural, é amplamente utilizado na área da medicina. Não só tem boa biocompatibilidade, como também pode formar ligações químicas com o novo tecido ósseo. Assim, podendo induzir a regeneração do tecido.

Entre os fosfatos de cálcio, a hidroxiapatita (HA) é a fase cristalina termodinamicamente mais estável do fosfato de cálcio nos fluidos corporais, sendo mais semelhante às partes minerais dos nossos dentes e ossos. A hidroxiapatita em nanoescala tem certas semelhanças com a apatita óssea (natural) em relação à sua composição química, estrutura e escala. 

Na microestrutura da biocerâmica nanométrica, os grãos refinados e o aumento dos números dos contornos de grão podem fazer com que suas propriedades mecânicas (principalmente tenacidade à fratura) e atividade biológica aumentem. Isso torna a nanohidroxiapatita (nano-HA) um material ideal para reparo ósseo. 

Assim, o processo de preparação da nanocerâmica não é muito diferente do da cerâmica comum (geralmente segue o processo de sinterização do pó), mas do ponto de vista técnico, o processo de preparação da nanocerâmica é extremamente difícil e é esse ponto de vista que os autores apresentam no artigo.

Em resumo, as duas maiores dificuldades na preparação de hidroxiapatita nanométrica residem na síntese do pó nanométrico (devido a alta área de superfície, que se torna fácil de aglomerar) e na sinterização da nanocerâmica (para inibir o crescimento de grão da nanocerâmica).

Os métodos de síntese do pó cerâmico de hidroxiapatita incluem principalmente síntese seca e síntese úmida. A preparação da síntese a seco é um método de preparação que consiste em selecionar um precursor, misturá-lo e, em seguida, tratar termicamente o precursor. 

Este método tem requisitos rigorosos quanto à pureza e dosagem dos reagentes e tem a vantagem de uma melhor cristalinidade dos produtos. No entanto, a síntese a seco requer uma temperatura relativamente alta, o que afeta a porosidade dos produtos. 

A síntese úmida consiste no método sol-gel, método de precipitação química, método de reação hidrotérmica e assim por diante, que é realizado em água ou solventes orgânicos e pode ser aplicado a uma variedade de equipamentos com a adição de vários catalisadores. 

As vantagens são que a estrutura e a morfologia da cerâmica podem ser bem controladas e o rendimento pode ser melhorado. A desvantagem é que a pureza e a cristalinidade geradas não são totalmente controladas e pode haver outros cristais de fosfato no produto.

Além disso, de acordo com os vários métodos de síntese, os pós têm certas diferenças em estrutura, morfologia e tamanho. Além disso, sob o mesmo método de síntese, diferentes condições de síntese também afetam a morfologia final do pó.

Este artigo resumiu o processo de síntese das nanopartículas cerâmicas nos seguintes aspectos: concentração de reagentes, efeitos da temperatura, efeitos de tensão (no processo de moagem), efeitos do pH, efeitos dos aditivos, efeitos da agitação dos reagentes e efeitos do tempo de envelhecimento.

Figura 1: Nanopartículas de hidroxiapatita (a) esféricas; (b) semelhantes a bastões (c) semelhantes a agulhas, resultantes do controle diferentes parâmetros no processamento do pó. Fonte: (Gui et al. 2022).

Em relação à concentração, a concentração dos reagentes é o fator chave que afeta a síntese da hidroxiapatita. A razão cálcio/fosfato (Ca/P) é 1,6, então a concentração dos reagentes determina a pureza da hidroxiapatita e também afeta o tamanho do grão sob certas condições.

Na temperatura e sobre os aditivos, os autores citam que quanto mais alta for a temperatura, mais rápida a velocidade da reação e mais fácil é a nuclearização e cristalização do pó cerâmico.

No processo de moagem (efeitos de tensão), os autores citam que quando a pressão de moagem atinge um valor crítico, a reação começa e conforme a pressão aumentar, mais rápida a taxa de reação, que aumenta a taxa de cristalização do pó cerâmico, reduzindo a cristalinidade e tamanho de grão.

Já em relação ao pH, os autores sugerem que o aumentando o pH, aumenta a relação Ca/P, e portanto, se você deseja sintetizar a hidroxiapatita pura, deve controlar rigorosamente o valor do pH. Os autores citam que, geralmente, o valor de pH da síntese úmida está entre 10 e 10,5.

Já sobre os efeitos de agitação e do tempo de envelhecimento, os autores citam que a velocidade de agitação mais alta e o tempo de agitação mais longo afetam a morfologia do cristal e que na fase de envelhecimento, quanto mais longo o envelhecimento tempo é, melhor a formação do grão do pó cerâmico.

Os autores concluem que ainda existem muitos problemas na preparação de nanocerâmicas, incluindo a síntese das nanopartículas e na sinterização de cerâmicas, que ainda precisam ser mais estudadas. Além de ser necessário otimizar ainda mais a tecnologia do processo.

O que aponta fortemente para a importância da engenharia de materiais e toda sua gama de aplicação, tanto na melhoria do processo, como na melhoria da tecnologia dos equipamentos e também na aplicação dos materiais nanoparticulados, que no caso do artigo citado podem ser aplicados em carreadores de drogas, revestimentos de superfície, na quimioterapia antineoplásica e em materiais compósitos.

O concreto é um dos principais materiais da engenharia civil, e o concreto reforçado com fibra de aço é um dos principais materiais compósitos formados por concreto para reduzir trincas e, consequentemente, o risco de fraturas.

Os materiais excedentes formados pelo processo de usinagem, por exemplo, são utilizados como fibras de aço, ou seja, são fibras de aço recicladas. Utilizando essa fibra reciclada ao invés da fibra de aço primária ao concreto, é formado o concreto com fibra de aço reciclada (objeto de estudo deste artigo), que se torna outra forma inovadora de formar concretos de materiais compósitos.

Além disso, a fibra de aço reciclada não precisa ser reprocessada, o que reduz a emissão de gases do efeito estufa e o acúmulo de resíduos sólidos, além de encontrar um novo método para proteger o solo da poluição. Portanto, é uma escolha ideal substituir parcialmente a fibra de aço primária pela fibra reciclada. 

Através da pesquisa e análise da proporção de mistura, abatimento (ensaio para a determinação da consistência do concreto), resistência e tenacidade do concreto com a fibra de aço reciclada, os autores chegaram em quatro conclusões a serem discutidas a seguir.

A primeira conclusão que os autores chegaram é que o abatimento (ensaio de consistência) do concreto diminui com o aumento da fibra reciclada. Ou seja, quanto mais fibra de aço reciclada, em teor de volume, é presente no concreto, menor a consistência do material, indicando um desempenho no fluxo do concreto.

Figura 1: Teste do abatimento (ensaio de consistência): (a) preenchimento do cilindro de abatimento e (b) teste do abatimento. Fonte: (Gao et al. 2022).

A segunda conclusão é sobre a  resistência à compressão do concreto, que aumentou com o aumento do teor volumétrico da fibra, sendo estimada em 1,0% o teor volumétrico razoável de fibra no concreto. Os autores afirmaram que a resistência à compressão do corpo de teste e a resistência à compressão axial, com 28 dias de cura, foram aumentadas em 11,8 e 16,1%, respectivamente, em comparação com o concreto normal.

Figura 2: Teste de compressão do corpo de prova: (a) dispositivo de teste e (b) processo de teste. Fonte: (Gao et al. 2022).

Assim, a terceira conclusão dos autores é que a resistência à tração e resistência à flexão do concreto com a fibra reciclada foram maiores do que as do concreto normal e aumentam com o aumento do volume de fibra de aço reciclada. 

Além disso, a quarta conclusão dos pesquisadores foi que a fibra reciclada pode aumentar significativamente a tenacidade do concreto, aumentando com o aumento do volume de fibra de aço reciclada. Porém, os autores notaram que quando o teor de volume é de 1,0%, o efeito de tenacidade da fibra primária (não reciclada) no concreto é um pouco melhor do que o da fibra reciclada.

Concluindo, o mundo consome quase 100 milhões de toneladas de aço todos os anos para fabricar vários tipos de fibras de aço, enquanto produz até 200 milhões de toneladas de materiais excedentes por meio do processamento por ano. 

Se esses resíduos forem transformados em fibras de aço recicladas, eles não apenas podem reduzir o desperdício de recursos, mas também podem contribuir para a redução da poluição mundial.