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Esponjas de nanofibras cerâmicas

Publicado em 16/06/2017 às 08:00:09

As esponjas de nanofibras cerâmicas podem ter inúmeros usos, desde dispositivos de purificação de água até materiais isolantes flexíveis

 

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Os pesquisadores encontraram uma maneira de fazer materiais ultraleves semelhantes a esponjas a partir de fibras cerâmicas de nanoescala. As esponjas altamente porosas, compressíveis e resistentes ao calor podem ter inúmeros usos, desde dispositivos de purificação de água até materiais isolantes flexíveis.

“A questão básica de ciências que tentamos responder é como podemos fazer um material altamente deformável, mas resistente a altas temperaturas”, disse Huajian Gao, professor da Escola de Engenharia da Brown University e um dos autores da pesquisa.

“Este paper demonstra que podemos fazer isso emaranhando nanofibras de cerâmica em uma esponja, e o método que usamos para fazê-lo é barato e escalável para fazer isso em grandes quantidades”.

O trabalho, uma colaboração entre o laboratório de Gao na Brown e os laboratórios de Hui Wu e Xiaoyan Li na Universidade Tsinghua na China, é descrito na revista científica Science Advances.

Como qualquer um que já deixou cair um vaso de flores sabe bem, as cerâmicas são materiais frágeis. As trincas na cerâmica tendem a se propagar rapidamente, levando a uma falha catastrófica com a menor deformação. Embora seja verdade para todas as cerâmicas tradicionais, as coisas são diferentes em nanoescala.

“Na nanoescala, as trincas e as falhas tornam-se tão pequenas que é necessário muito mais energia para ativá-las e fazer propagar”, disse Gao.

“As fibras de nanoescala também promovem mecanismos de deformação, como o que se conhece por fluência, onde os átomos podem se difundir ao longo dos contornos dos grãos, permitindo que o material se deforme sem quebrar”.

Fabricação de esponjas

Devido a essas dinâmicas de nanoescala, os materiais fabricados a partir de nanofibras cerâmicas têm o potencial de ser deformáveis e flexíveis, mantendo a resistência ao calor que torna a cerâmica útil em aplicações de alta temperatura. O problema é que esses materiais não são fáceis de fazer. Um método frequentemente utilizado de fazer nanofibras, conhecido como “eletrospinning”, não funciona bem com a cerâmica. Outra opção potencial, a impressão a laser 3-D, é cara e demorada.

Assim, os pesquisadores usaram um método chamado “solution blow-spinning”, que havia sido desenvolvido anteriormente por Wu em seu laboratório em Tsinghua. O processo usa pressão de ar para conduzir uma solução líquida contendo material cerâmico através de uma pequena abertura de seringa. À medida que o líquido emerge, ele se solidifica rapidamente em fibras de nanoescala que são coletadas em uma gaiola giratória. O material coletado é então aquecido, o que queima o material solvente, deixando uma massa de nanofibras cerâmicas emaranhadas que parece um pouco como uma bola de algodão.

 

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Os pesquisadores usaram o método para criar esponjas feitas a partir de uma variedade de diferentes tipos de cerâmica e mostraram que os materiais tinham algumas propriedades notáveis.

Por exemplo, as esponjas foram capazes de se recuperar após uma compressão de até 50%, algo que nenhum material cerâmico padrão pode fazer. E as esponjas podem manter essa resiliência a temperaturas de até 800 graus Celsius.

 

 

Múltiplas aplicações

A pesquisa também mostrou que as esponjas tinham uma capacidade notável para isolamento de alta temperatura. Em um experimento, os pesquisadores colocaram uma pétala de flor em uma esponja de 7 milímetros de espessura feita com nanofibras de dióxido de zircônio. Depois de aquecer o fundo da esponja a 400 graus Celsius por 10 minutos, a flor no topo mal murchou. Enquanto isso, as pétalas colocadas em outros tipos de materiais cerâmicos porosos nas mesmas condições foram queimadas até ficarem crocantes.

 

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A resistência ao calor das esponjas e sua deformabilidade os tornam potencialmente úteis como material isolante, onde a flexibilidade é importante. Por exemplo, Gao diz que o material poderia ser usado como uma camada isolante nas roupas de bombeiros.

Outro uso potencial poderia ser na purificação de água. O dióxido de titânio é um conhecido fotocatalisador usado para decompor moléculas orgânicas, que mata bactérias e outros micro-organismos na água. Os pesquisadores mostraram que uma esponja de dióxido de titânio poderia absorver 50 vezes seu peso em água contendo um corante orgânico. Dentro de 15 minutos, a esponja foi capaz de degradar o corante sob iluminação. Com a água espremida, a esponja poderia então ser reutilizada – algo que não pode ser feito com os pós de dióxido de titânio normalmente utilizados na purificação de água.

Além disso, pode haver outras aplicações para esponjas de cerâmica que os pesquisadores ainda não consideraram.

“O processo que usamos para fazer isso é extremamente versátil; ele pode ser usado com uma grande variedade de diferentes tipos de materiais cerâmicos de partida “, disse Wu, um dos autores da Tsinghua. “Então, pensamos que há grandes perspectivas para potenciais aplicações”.

Fonte: Brown University, adaptado por Portal Tratamento de Água – www.tratamentodeagua.com.br


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