Nanotecnologia na Engenharia Civil: pequenas estruturas e um universo de aplicações

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A nanotecnologia já é bem explorada na medicina e eletrônica, mas agora está entrando também na construção civil, principalmente nos componentes da construção, como em telhas, em estruturas, no cimento e em materiais de revestimento.

Muitos materiais em escala nanométrica estão sendo explorados na área da construção civil, como a nanosilica e os nanotubos de carbono e grafeno, que você certamente já ouviu falar.

Mas, no final das contas, pra que servem essas nanopartículas nos materiais de construção?

No artigo de hoje, vamos entender o que é e como funciona essa inovação da ciência dos materiais.

O que é nanotecnologia?

A nanotecnologia é definida como o estudo ou a manipulação de materiais com características de cerca de 100 nanômetros ou menos, ou seja, partículas mil vezes menores que o diâmetro de um fio de cabelo.

A ideia é modificar as características em escala atômica ou molecular dos materiais, e, com isso, gerar melhorias significativas em suas propriedades vistas em escala maior.

Essas propriedades novas, físicas ou químicas, podem, por exemplo, aumentar muito a resistência dos materiais à compressão, tração e flexão ou até mesmo fazer o material resistir mais às mudanças químicas do ambiente.

Mas como isso funciona?

A mudança causada por uma partícula nanométrica nas propriedades de algum material é chamada popularmente de “nanoefeito”.

Em essência, esses efeitos acontecem por duas razões:

1. Na nanoescala, novas leis da física entram em jogo. Nessa escala, a física quântica domina as propriedades dos materiais, e tudo pode ser diferente daquilo que estamos acostumados a ver em macroescala. O exemplo disso é o ouro: quando ele está em partículas grandes, tem a cor amarela que conhecemos. No entanto, partículas de ouro nanométricas podem ter colocação vermelha ou roxa, isso porque essas nanopartículas de ouro reagem de maneira diferente com a luz em comparação com aquelas em escala maior.

2. Os materiais em nanoescala têm áreas de superfície muito maiores do que massas semelhantes de materiais em grande escala. Isso significa que, para materiais com partículas nanométricas, a proporção de átomos na superfície aumenta em relação àqueles dentro da partícula, e isso leva a mais contato com tudo ao redor, mais reações químicas, e propriedades completamente diferentes.

São esses “nanoefeitos“, que, em última análise, determinam todas as propriedades com as quais estamos familiarizados na nossa “macroescala”: ponto de fusão, condutividade elétrica, permeabilidade, reatividade química, resistência, etc.

É esse o grande poder da nanotecnologia: se pudermos manipular elementos em nanoescala, podemos afetar as macropropriedades e produzir materiais e processos completamente novos ou melhorados.

Nanomateriais

Grafite, Grafeno, Diamante e nanotubo de carbono. Fonte: Giubileo e colaboradores, 2018.

Alguns materiais explorados em suas estruturas nano são a sílica, o titânio, o nióbio e as estruturas carbono: os nanotubos de carbono e grafeno.

Os nanocompostos de carbono, por exemplo, são formados exclusivamente por átomos de carbono, e as fortes ligações químicas entre esses átomos dão propriedades mecânicas muito altas a esses materiais.

O grafeno, um dos mais poderosos nanomateriais, é formado por uma única camada atômica de grafite, ou seja, é a camada mais fina de grafite possível, e se apresenta como vários hexágonos ligados formando uma “folha”. Várias “folhas” de grafeno, portanto, formam o grafite.

Quando essa única camada de grafeno é enrolada em uma estrutura de cilindro, temos o chamado nanotubo de carbono.

Cada material desse é único, e suas propriedades dependem por exemplo do arranjo atômico, do diâmetro e do comprimento.

O nano aplicado à construção

A nanotecnologia pode ser usada para mudar os processos ou materiais de construção em muitas áreas, já que os novos produtos têm muitas características diferentes e únicas.

Essas características podem, por exemplo, corrigir significativamente alguns problemas da construção atual, e até mesmo permitir a construção de novas estruturas que não são possíveis com os materiais atuais.

Trouxemos aqui algumas áreas em que esses nanomateriais já estão sendo utilizados:

Concreto

A nanotecnologia está sendo amplamente estudada para modificar as propriedades do concreto, como as reações de hidratação, reatividade e resistência. No fim de maio, a construtora Nationwide Engineering, do Reino Unido, fez o lançamento da primeira laje de concreto enriquecido com nanopartículas de grafeno do mundo, com cerca de 30% mais resistência em comparação com o concreto padrão.

Compostos estruturais

O Aço, um importante componente estrutural das construções, também vem sendo modificado com nanopartículas. O aço MMFX2, da empresa Steel Corp, já é certificado para uso nos Estados Unidos. Esse aço é modificado em escala nanométrica, e, nessa escala, forma uma estrutura em ripa semelhante à uma ‘madeira compensada’. Esse efeito de ‘madeira compensada’ confere mais resistência, ductilidade e dureza ao novo aço.

Revestimentos

Revestimentos que incorporam nanopartículas estão sendo amplamente desenvolvidos. Por exemplo, já existem revestimentos anticorrosivos e anti-reflexivos para vidros e janelas, desenvolvidos com grafeno.

Em julho deste ano, o Brasil inaugurou a maior planta de produção de grafeno em escala industrial da América Latina, instalada por uma universidade em Caxias do Sul (RS), e que produzirá até 500 kg do material por ano.

A pesquisa brasileira com nanopartículas de grafeno e também de nióbio, está avançando e promete transformar materiais como concreto, tinta e aço.

Referências

Dimov, D.; Amit, I.; Gorrie, O.; Barnes, M.D.; Townsend, N.J.; Neves, A.I.S.; Withers, F.; Russo, S.; Craciun, M.F. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene–Concrete Composites for Multifunctional Applicatiaons. Adv. Funct. Mater. 2018.

Nawar, A.H. Nano-technologies and Nano-materials for civil engineering construction works applications. Materials Today: Proceedings. 2020.

Ganesh, V.K. Nanotechnology in Civil Engineering. Department of Civil Engineering, SRM University. 2020.

What’s So Special about the Nanoscale? Nano.gov. Em: https://www.nano.gov/nanotech-101/special.

Giubileo, F. e colaboradores. Field Emission from Carbon Nanostructures. MDPI Applied Sciences. 2018.

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