NANOTECNOLOGIA NA CONSTRUÇÃO CIVIL

A ciência que mostra na prática, como a matéria pode ser modificada, mostrando inúmeros benefícios e aplicabilidades na fabricação de novos materiais.

INCORPORAÇÃO DE NANOTUBOS DE CARBONO EM MATRIZES CIMENTÍCIAS

A construção civil é uma parte da engenharia, onde se desenvolvem diversas atividades em prol de um bem comum a todos, exercendo significativa influência em uma sociedade, seja em infraestruturas de transportes, água, esgoto ou na complexidade em edificações, e é devido a essa influência e essa vontade de torna-se mais abrangente e tecnológica, que estudos são desenvolvidos todos os dias.

Uma tecnologia inovadora utilizada para construção e manipulação de materiais, ganha cada vez mais espaço entre as profissões da área tecnológica no mundo. Com toda essa questão em mente, um dos maiores físicos do século XX e conhecido por ser responsável pela criação do primeiro processador paralelo no mundo, o norte-americano Richard Feynman, começou a aprofundar-se no tema, e considerou uma série de direcionamentos importantes para poder chegar a uma manipulação atômica, dando o primeiro passo para o nascimento da nanotecnologia, que consiste na manipulação da matéria na escala bilionésima do metro, algo como uma bola de futebol diante de todo o planeta terra. Na construção civil, materiais como revestimentos, argamassas e concretos, já estão em desenvolvimento a partir dessa inovação (CORDEIRO, 2018).

As propriedades de materiais da escala nanométrica, sendo visíveis apenas por microscópio eletrônico, possuem características peculiares e muito importantes para uma determinada modificação de um material, por serem constituídas por agregados atômicos e moleculares de somente algumas partículas, onde se percebem novas propriedades físicas e químicas, além de ser comprovado em estudos, que quando trabalhado em sua escala nanoscópia, as nanopartículas também modificam as propriedades magnéticas, ópticas, mecânicas e elétricas (MELO, 2009).

Tendo isso em vista, na década de 1990 deu-se início a criação do nanotubo de carbono (NTC), cujo, possui medidas entre 1 a 3 nanômetros (nm) de diâmetro, e até 1.000 nm de comprimento, medidas comparáveis a um fio de cabelo dividido 50 mil vezes longitudinalmente, possuindo uma ótima condutividade elétrica e uma resistência mecânica maior que a do aço, além de serem flexíveis e elásticos (OLIVEIRA, 2005).

Logo após o descobrimento de suas propriedades adquiridas, foram implementados inúmeros estudos e posteriormente, aplicações em materiais diversos, revolucionando a área da nanotecnologia e nanociência, possibilitando inúmeras melhorias nas estruturas dos materiais, como na interligação de nanochips de silício, na indústria eletrônica, e na composição de diversos polímeros, com o objetivo de deixá-los com maior resistência, impermeabilizar tecidos e reforçar cerâmicas. Na área médica, os nanotubos são biocompatíveis e podem, por exemplo, liberar de maneira segura, o fármaco em determinado ponto específico do corpo humano ou até mesmo transportar moléculas para o núcleo das células, e ser um aliado nas nanomáquinas do nosso organismo (FOGAÇA, 2017).

Foi do princípio de aprimorar as propriedades dos materiais, que se chamou atenção para a implantação de nanotubos de carbono a matrizes cimentícias, em prol de inovar-se com um cimento de maior resistência devido às características particulares da molécula do carbono, a base da nanotecnologia, onde resulta em um cimento com excelente condutividade elétrica, resistência térmica e mecânica considerada ideal, fazendo com que essa descoberta viesse a dar início a um novo marco na construção civil (SANTOS, 2011).

FUNDAMENTOS DA NANOTECNOLOGIA

No ano de 1959 o físico americano Richard Feynman sugeriu desafiar a ciência desde o momento em que proferiu em uma palestra de física “há muito espaço lá embaixo”, tornando-se o marco fundador da nanotecnologia, fazendo com que a partir desse momento, fossem traçadas condições de se manipular a matéria na escala atômica, garantindo-lhe mais tarde no ano de 1965, um prêmio Nobel de Física pela grande contribuição gerada para o estudo dos átomos, uma vez que, a palavra nanotecnologia só foi cunhada na década de 1974, pelo grande pesquisador japonês chamado Norio Tanigui (SHULZ, 2013).

A nanotecnologia é baseada na manipulação e investigação em escala bilionésima do metro da matéria, onde esta escala revela características particulares dos átomos, podendo se mostrar tolerantes à temperatura, reatividade química, condutividade elétrica, cores, e ajudando diversas áreas distintas como, ciências dos materiais, física, biologia e química, desenvolvendo novos produtos e processos baseados na tecnologia da escala atômica, proporcionando capacidade de manipular átomos e moléculas (PEIXOTO, 2013).

PROPRIEDADES DA NANOTECNOLOGIA

O objetivo da nanotecnologia é criar, produzir, caracterizar e aplicar estruturas, dispositivos e sistemas, tendo controle sobre o tamanho e a forma na escala nanométrica. Na fabricação dos materiais nano tecnológicos, cada átomo deve ser posicionado no seu determinado lugar, criando uma estrutura embasada nas leis da química e da física, para que assim, possa ser permitido especificar os detalhes atômicos, e ter um custo de confecção que não ultrapassem o custo da matéria-prima e suas devidas energias necessárias (MERKLE, 2010).

Segundo Merkle (2010), podemos destacar algumas razões pela qual a nano escala se mostra ser tão importante no processo de novos materiais, permitindo:

a) a alteração das propriedades quânticas nos elétrons em escala nanométricas fazendo com que a matéria tenha suas propriedades mecânicas influenciadas por essa transição;

b) variar suas propriedades micro e macroscópica como magnetização, temperatura de fusão e até mesmo sua capacidade de carga sem alterar a composição química;

c) existir uma alta relação superfície/volume, fazendo com que nanopartículas sejam ideais para serem incorporadas junto a materiais compósitos, transporte de fármacos pelo organismo humano e estocagem de energia química, como o gás natural e o hidrogênio.

d) com que os compostos nanoestruturados nos sistemas macroscópicos, possam adquirir uma maior densidade do que os constituídos de microestrutura, formando-se melhores condutores de energia elétrica e proporcionando novas vertentes para a geração de novos dispositivos eletrônicos, com melhores propriedades aplicadas.

São incontáveis os benefícios em que podem ser alcançados pela nanotecnologia, onde pode ser entendida como uma ciência interdisciplinar que afeta diretamente, seja em escalas maiores ou menores, todas as transições relacionadas à vida humana (MARTINS, 2006).

NANOTUBOS DE CARBONO

O Carbono comparado a outros elementos químicos, tem um destaque pelo fato de conseguir formar diferentes tipos de hibridizações com arranjos geométricos distintos, sendo eles planos (sp), bidimensionais (sp2) e tridimensionais (sp3), que permitiu a formação de moléculas complexas que deram origem à vida.

Existem dois tipos de materiais formados unicamente por átomos de carbono – o diamante - onde os átomos que o compõe, encontram-se em estado de hibridização tridimensional (sp3) estando ligados às propriedades de dureza, consistindo em um arranjo periódico de átomos do mesmo elemento a mais quatro átomos simetricamente organizados, e o - grafite - que se encontra na forma plana (sp2), e assume um arranjo periódico de átomos na estrutura lamenar, onde cada átomo se liga a outros três (CAPAZ e CHACHAM, 2003).

Nos últimos 30 anos foram descobertos novos materiais de carbono, um deles é o grafeno. Sabendo que o grafite é constituído pela superposição de folhas de grafeno, somente no ano de 2004 foi possível isolar uma única folha com espessura atômica, fato esse que rendeu o prêmio Nobel a dois cientistas em 2010, o holandês Andre Geim e o russo-britânico Konstantin Novoselov, fazendo com que sua descoberta viesse a revolucionar a maneira de se produzir novos materiais a partir da estrutura bidimensional atômica do grafeno (ISTO É, 2010).

INCORPORAÇÃO DE NTC EM MATRIZES CIMENTÍCIAS

Ao longo dos anos, foram feitas muitas pesquisas para que conseguissem comprovar o bom desempenho das nanopartículas quando adicionadas a argamassas de cimento em geral e em concretos. A incorporação de NTC em matrizes cimentícias, tem sido motivo de pesquisas em várias instituições do planeta. De acordo com Siddique e Metha (2013), os NTC atuam na microestrutura da matriz, causando um aumento das propriedades mecânicas e aumento de sua durabilidade, além de propiciarem uma grande condutividade tanto elétrica como térmica.

O desenvolvimento da nanociência em matrizes cimentícias se mostra necessário, pelo fato de suas propriedades como baixa retração, resistência a temperaturas com níveis acima de 600 ºC, compatibilidade com distintos tipos de nanomateriais, como a nanosílica, e diferentes tipos de fibras, como a do carbono, que não possuam qualquer característica que seja tóxica, para que possam ser utilizadas na geração de novos produtos com ótimo desempenho (BALAGURU e CHONG, 2006).

Conforme Sobolev et al. (2008) a interação de nanopartículas (NTC) aplicadas ao cimento, causa uma melhora significativa devido a um conjunto de fatores, dentre eles pode-se citar:

a) Melhora significativa das ligações entre a pasta e os agregados do cimento, devido à atuação na área da zona de transição das partículas.

b) Pelo tamanho das nanopartículas, o preenchimento entre os grãos faz com que potencialize a rigidez, devido o preenchimento do índice de vazios (efeito filler) reduzindo assim a porosidade;

c) Aceleração do processo de hidratação pelo fato de agir no centro de cristalização do cimento (C-S-H), reduzindo assim o tempo de cura;

d) Potencialização da viscosidade da fase líquida, fazendo com que tenha uma diminuição na suspensão das partículas do cimento e seus demais agregados, causando uma resistência à segregação do material;

e) Aumento das resistências mecânicas;

f) Os nanotubos agem como “pontes” que atravessam fissuras e vazios, garantindo a transferência das tensões do carregamento;

g) Influência no controle da fissuração.

Capaz e Chacham (2013) citam que a melhora significativa das propriedades mecânicas, se deve à sua resistência à tração e à compressão que os NTC possuem, considerados na atualidade, como o material mais resistente já encontrado na natureza. Por outro lado, apesar da notável evolução e avanços atuais em pesquisas e aplicações de NTC em concreto, ainda é considerado um estágio inicial, demandando ser posta em efetividade (FRAGA et al., 2014). No Brasil, o que limita a fabricação em massa, em partes, é seu preço. Atualmente, o valor a ser pago pela sua produção é considerado alto, o que dificulta a sua aplicação em grande escala em materiais da construção civil.

Li et al., (2005) mencionam que a incorporação de NTC em matrizes cimentícias, faz com que a porosidade seja atenuada, logo, também há diminuição no total da quantidade de poros, uma vez que, esse fato foi comprovado por testes realizados em argamassas contendo 0,5% de nanotubos de carbono, obtendo uma porosidade de 10,8%, causando um diminuição considerável de aproximadamente 64% menor do que em uma amostra apenas com cimento. Os mesmos autores também relatam que a capacidade de deformação elástica dos NTC é de 12%, ou seja, cerca de 60 vezes acima da elasticidade do aço.

Os nanotubos também têm influência no controle da fissura, pois, pelo fato de serem diminutos fazem com que após serem introduzidos à matriz cimentícia, uma distribuição melhorada seja feita, comparada às fibras de esforços comumente usadas, uma vez que, o interrompimento de fissuras em matrizes de cimento com NTC é muito mais facilitado, reduzindo significantemente o tamanho das aberturas das mesmas. Tendo isso em vista, é esperado que compósitos mais rígidos e resistentes sejam produzidos a partir desse princípio. (MAKAR et al., 2005).

Apesar das inúmeras vantagens, são abordadas em estudos três limitações importantes na incorporação dos NTC. A primeira é de carácter técnico, é necessário que exista uma dispersão dos nanotubos em matrizes cimentícias para que seja obtido o objetivo final com o máximo de desempenho, a segunda é ligada a economia, pois o custo da obtenção dos nanotubos é bastante elevado, e a terceira limitação diz respeito à toxidade, uma vez que, quando inalado pode causar problemas no sistema respiratório e causar problemas de saúde (LIMA, 2017).

De acordo com Morsy et al (2011) os elementos estruturais e os fenômenos em escala micro e nano, estão ligados diretamente ao comportamento mecânico dos materiais constituintes no concreto, fazendo com que proporcione melhoria em escalas maiores do material.

Ainda conforme Morsy et al. (2011), três vantagens devem ser levadas em consideração quando se usam nanomateriais; redução da quantidade de cimento necessária para que seja reduzido o seu custo e o impacto ambiental dos materiais utilizados, a produção de alta resistência para que seja feita uma aplicação específica; e a redução do período de construção com os nanomateriais, fazendo com que tenha um tempo de cura reduzido.

REFERÊNCIAS