Pós-Graduação em Materiais

Neste projeto de pesquisa, estaremos envolvidos com o estudo das propriedades ópticas de cristais fotônicos, fibras microestruturadas e fibras de cristal fotônico, no intuito de apresentar as potencialidades destes sistemas com vistas ao desenvolvimento de dispositivos ópticos para aplicações em fotônica integrada, por exemplo guias de onda, e sensores ópticos, por exemplo, para detecção de materiais biológicos e gases nocivos. Nossas atividades envolvem tanto a realização de experimentos relativos à caracterização da resposta ópticas destes sistemas, bem como a realização experimental de testes básicos do funcionamento de dispositivos. Aliado ao nosso estudo experimental, também realizamos atividades de modelagem computacional para complementar a análise dos resultados experimentais e simular novos arranjos para confecção de amostras.

O objetivo deste projeto é a preparação de nanopartículas metálicas e dielétricas com controle de sua forma e tamanho. A partir disso, pretendemos preparar materiais avançados que possam atuar, por exemplo, como catalisadores na transformação da glicerina, na polimerização oxidativa, na oxidação de glicerol e na gaseificação de biomassa. Em particular, desenvolvemos atividades de síntese de novas espécies organometálicas que possam ser empregadas como catalisadores em reações de comprovado interesse tecnológico. Exemplo disso são os estudos em oleoquímica, com ênfase na utilização óleos vegetais e/ou derivados (ácidos graxos, etc.) em reações catalisadas de: esterificação e transesterificação, com destaque na produção de biodiesel, e reações de modificação funcional, síntese de materiais poliméricos, etc, como também na identificação e caracterização de fontes oleoginosas alternativas. Outra área de estudos é a obtenção de etanol a partir de biomassa residual, pela reação de hidrólise de celulose, catalisada quimicamente.

Neste projeto, pretendemos estudar diversos materiais de origem natural tais como quitosana, línter de algodão, ciclodextrinas, lipossomas ou de origem sintética tais como polímeros condutores associados à nanopartículas metálicas principalmente para servir como imobilizadores de enzimas, (DNA, proteínas, etc) visando à construção de biossensores. Para isso técnicas eletroquímicas serão utilizadas além de técnicas espectroscópicas. Visa ainda a síntese de nanocompósitos a bases dos biomateriais descritos acima para estudos de encapsulamento de fármacos insolúveis. Técnicas eletroquímicas e eletrodos modificados com monocamadas altamente organizadas (SAM) serão também utilizadas.

Os nanotubos de carbono têm recebido considerável atenção em nanotecnologia devido às suas notáveis propriedades estruturais, mecânicas e eletrônicas. Eles também têm encontrado aplicações em biologia, principalmente na biofuncionalização de nanomateriais para o reconhecimento específico de células-alvo. A funcionalização de nanotubos visa torná-los solúveis em água, permitindo uma melhor distribuição e orientação deste nanomaterial no organismo. As modificações estruturais em nanotubos estarão voltadas para a entrega de fármacos, onde a estratégia de trabalho consiste na conjugação de nanotubos com o fármaco apropriado, de modo covalente ou não-covalente, com os receptores específicos da doença estudada, de maneira a conduzir o fármaco-nanotubo à célula desejada. De forma semelhante, podemos também incluir pontos quânticos à estrutura destes novos nanotubos, o que nos permite visualizar o nanomaterial no organismo vivo. Além do envolvimento destas nanoestruturas na condução de fármacos e pontos quânticos, podemos estudá-las em suas relações entre estruturas atômicas unidimensionais bem definidas e suas respectivas propriedades eletrônicas. Através de microscopia de varredura por efeito túnel, por exemplo, torna-se possível revelar as estruturas atômicas de espaço real de nanotubos de carbono de diferentes quiralidades.

Neste projeto estudaremos novos processos de síntese e aplicações em óptica e fotônica de materiais avançados, tais como, polímeros condutores, nanotubos de carbono, pontos quânticos, colóides de nanopartículas metálicas, vidros nanoestruturados, compósitos de polímeros com nanotubos de carbono. Daremos ênfase a materiais luminescentes, absorvedores de luz, e/ou que apresentem propriedades ópticas não lineares que possam ser exploradas no desenvolvimento de aplicações.

Nos últimos anos, tem havido um grande interesse em relação ao desenvolvimento e produção em escala comercial de dispositivos eletrocrômicos, que são dispositivos que variam de coloração (displays) ou de transmitância em um determinado comprimento de onda do espectro eletromagnético na região visível ou infravermelho próximo (janelas inteligentes). Uma das vantagens deste tipo de dispositivo implica na possibilidade de aplicação em janelas eletrocrômicas com absorção de energia na região do infravermelho próximo, que regulam a luminosidade e o calor em ambientes fechados, diminuindo assim o consumo de energia requerida por lâmpadas e aparelhos de ar condicionado. A tecnologia inerente à construção de dispositivos eletrocrômicos baseados em materiais inorgânicos conta com resultados significativos, e a pesquisa direcionada ao uso de polímeros condutores com o mesmo propósito está crescendo rapidamente. Estes materiais apresentam baixo custo e propriedades eletroquímicas e ópticas mais apropriadas que os óxidos inorgânicos. Pois, da mesma forma que os materiais inorgânicos, os polímeros condutores apresentam propriedades eletrocrômicas associadas aos processos redox. Além disso, a utilização de polímeros condutores como materiais eletrocrômicos permite o ajuste da tonalidade dos estados coloridos do polímero a partir da escolha adequada do monômero substituído, visto que a introdução de substituintes ao longo da cadeia polimérica pode modificar as propriedades destes polímeros em relação aos seus precursores não substituídos. Os diodos emissores de luz (LEDs) são dispositivos que apresentam luminescência variável de acordo com a aplicação de potencial. Inversamente ao modo de operação das células fotovoltaicas, utilizadas para a produção de corrente fotoinduzida, os LEDs são células eletroquímicas que emitem luz a partir da aplicação de um potencial elétrico. Atualmente, os dispositivos emissores de luz são majoritariamente inorgânicos, mas a demanda por dispositivos construídos com materiais orgânicos (polímeros) é crescente, principalmente pelo menor custo de produção e por estes serem materiais ambientalmente corretos. Além de polímeros intrinsecamente emissores de luz, existem também diodos orgânicos emissores de luz construídos a partir de moléculas eletroluminescentes. Estas moléculas são adicionadas à camada polimérica, que por sua vez não é eletroluminescente, mas transfere energia para os corantes, como são chamados. Os corantes são geralmente compostos de baixa massa molar, cuja função é a de sintonizar o comprimento de onda de fluorescência ou de favorecer os processos de transferência de carga para um centro emissor a fim de aumentar a eficiência de luminescência Estas moléculas podem estar ligadas covalentemente à matriz ou apenas absorvida entre as cadeias poliméricas. Com isso, pequenas modificações na estrutura química dos polímeros podem gerar novas cores, inclusive o branco. Neste projeto investigaremos a síntese de novos monômeros, preparação e caracterização de
polímeros condutores e montagem de dispositivos eletrocrômicos ou OLEDs usando esses materiais.

Nanomateriais serão desenvolvidos visando incorporação de diferentes grupos funcionais em sua superfície através de interações covalentes ou não-covalentes, permitindo-nos conduzir diferentes fármacos visando potencializar sua ação no organismo. Iremos também investigar a utilização de sistemas de nanopartículas metálicas e magnéticas como sistemas de carregamento e entrega destes fármacos.

Com este projeto, pretende-se desenvolver e aplicar modelos teóricos para o estudo do comportamento de materiais em diferentes escalas de análises. Os modelos considerados terão como base formulações analíticas ou numéricas fundamentadas em hipóteses que tratam os materiais como meios dotados de estruturas internas contínuas ou discretas. A mecânica do contínuo servirá como base para os modelos que descrevem o comportamento macro ou micromecânico dos materiais idealizados como meios contínuos. Por outro lado, a nanomecânica servirá de lastro para a modelagem de materiais em escala atômica. Os estudos envolverão investigações sobre campos de temperatura, calor, deslocamentos, tensões e deformações em regime estacionário e transiente. Técnicas de homogeneização serão empregadas para a caracterização de propriedades macroscópicas efetivas de materiais com microestruturas heterogêneas. Tais propriedades podem ser mecânicas, térmicas, elétricas, piezoelétricas, etc. Métodos numéricos, tais como Elementos Finitos e Teoria de Volumes Finitos, serão utilizados na modelagem do comportamento de materiais idealizados como meios contínuos. Formulações de Elementos Finitos também serão estendidas para o desenvolvimento de modelos atômicos que poderão ser empregados para a investigação do comportamento mecânico de estruturas nanométricas, tais como, nanotubos de carbono. Visando contornar as grandes dificuldades de ordem computacional na análise mecânica de
sólidos em escala molecular ou atômica, serão também alvos de estudo as formulações multiescalas, caracterizadas pelo acoplamento de modelos contínuos e discretos. Os modelos que serão desenvolvidos e implementados poderão ser aplicados na solução de problemas envolvendo materiais de interesse em diversas áreas do conhecimento. Como exemplos, podem ser citados, os compósitos reforçados por fibras, materiais com gradação funcional (FGMs), materiais celulares/espumas, biomateriais, polímeros, cerâmicas, piezocerâmicas, nanotubos, aerogéis.

As propriedades de materiais poliméricos, tais como resistência ao calor, resistência mecânica e ao impacto, ou baixa permeabilidade a gases, podem modificadas a partir da adição de cargas constituídas por uma variedade de compostos inorgânicos sintéticos e/ou naturais. Entretanto, os materiais resultantes podem ser considerados apenas como polímeros reforçados, visto que não há (ou há muito pouco) interações entre os dois componentes misturados. Para que as propriedades oriundas da adição da carga ao polímero sejam efetivas, é necessário que esses polímeros reforçados apresentem uma intensa interação na interface entre os dois materiais (polímero e carga). Em geral, os elementos de reforço macroscópicos possuem imperfeições na sua estrutura que tornam a interação entre os dois materiais na interface pouco eficiente, sendo que a (quase) perfeição estrutural pode ser alcançada à medida que os elementos de reforço se tornam de dimensões cada vez menores. Portanto, pode ser esperado que a maximização das propriedades obtidas pela adição de elementos de reforço em compósitos será obtida se as suas dimensões alcançarem níveis atômicos ou moleculares. Os nanocompósitos constituem uma nova classe de compósitos, em que os polímeros são reforçados com partículas nas quais ao menos uma de suas dimensões é da ordem de nanômetro. Dentre todos os potenciais precursores de nanocompósitos, aqueles baseados em argila e silicatos lamelares têm sido os mais amplamente investigados, provavelmente devido ao fato de que o material de partida (argila) pode ser facilmente encontrado e porque a sua química de intercalação já vem sendo investigada por um longoperíodo de tempo.

Pretende-se investigar uma série de nanocargas com características diferenciadas, modificá-las quimicamente e obter nanocompósitos poliméricos úteis para a indústria. Este trabalho é desenvolvido em parceria com a BRASKEM S.A.

Os catalisadores são amplamente empregados nas indústrias de refino de petróleo, petroquímicas e químicas em geral. Neste projeto, realizaremos estudos na área de síntese, caracterização e avaliação de catalisadores de interesse industrial. Em particular, atuaremos nas áreas de catálise heterogênea, síntese de materiais zeoliticos, etc. com aplicação nas áreas de petróleo e gás (craqueamento, hidrocraqueamento, hidrotratamento, etc), obtenção de combustíveis, petroquímica, desenvolvimento de novos materiais catalíticos. Na caracterização dos materiais, estamos interessados, principalmente, na análise de superfície usando as técnicas de adsorção e análise termogravimétrica.