As inovações na ciência dos materiais desempenham um papel crucial para tornar os produtos dos quais dependemos mais resistentes, seguros e sustentáveis. Como observado em nosso artigo sobre as tendências emergentes para 2025, os avanços na ciência dos materiais impulsionam melhorias em bens de consumo, edifícios, construção civil, energia e muito mais. Alguns desses avanços alcançam áreas recentemente consideradas ficção científica — no entanto, essas descobertas científicas estão se tornando realidade, melhorando os espaços onde vivemos e trabalhamos e os produtos que utilizamos.
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Assista à gravação do nosso painel de webinar de 24 de abril, onde o Dr. Harold Boone, da Dow, juntamente com Leighton Jones e Janet Sasso, da CAS, discutiram essas tendências dentro de contextos mais amplos de avanço científico.
Metamateriais melhorando as comunicações sem fio e muito mais
Avanços em design computacional e simulação, impressão 3D, litografia e corrosão estão permitindo a fabricação de diferentes metamateriais — materiais projetados artificialmente com propriedades não encontradas na natureza — para uma série de aplicações. A ordenação de sua arquitetura gera as propriedades únicas dos metamateriais, e as melhorias na forma como os cientistas projetam e manipulam essas estruturas estão levando a novos usos.
Metais, dielétricos, semicondutores, polímeros, cerâmicas, nanomateriais, biomateriais e compósitos são os materiais fundamentais usados para construir metamateriais. Ao ajustar suas estruturas com precisão, os cientistas podem produzir metamateriais com propriedades como índice de refração negativo, capacidade de manipular radiação eletromagnética, permissividade elétrica e magnética personalizada e a capacidade de manipular ondas acústicas e sísmicas.
Com mudanças frequentemente em nanoescala, essas propriedades impulsionam novos usos para metamateriais, como melhorar redes 5G. As ondas milimétricas (mmWaves) usadas no 5G têm alcance limitado e são facilmente bloqueadas por estruturas. Metamateriais incorporados em antenas podem melhorar a recepção aumentando a eficiência e a largura de banda da antena. Superfícies Inteligentes Reconfiguráveis (RIS) podem refletir e refratar sinais 5G para uma melhor recepção dentro dos edifícios. Melhorar a recepção 5G com metamateriais reduz o custo de construção de mais torres de celular e torna a recepção de sinal rápido mais acessível para todos.
Outras novas aplicações notáveis de metamateriais incluem:
- Proteção contra terremotos: Metamateriais podem atenuar a intensidade das ondas sísmicas e resistir à sua propagação através de estruturas, protegendo-as contra danos. Aço e metamateriais de gradiente duplo, como polímero reforçado com fibra de carbono, têm sido usados efetivamente para essa aplicação. Incluir esses metamateriais na construção civil poderia trazer melhorias importantes de segurança em zonas sísmicas.
- Imagens médicas: Metamateriais melhoram a relação sinal-ruído de máquinas de ressonância magnética, resultando em imagens de maior resolução. Eles também ajudam a proteger outros órgãos da absorção de radiação eletromagnética indesejada. Metasuperfícies feitas de fios de latão não magnéticos demonstraram melhorar a sensibilidade do scanner, a relação sinal-ruído e a resolução de imagem em ressonâncias magnéticas.
- Capas de invisibilidade: Ao controlar precisamente as propriedades eletromagnéticas de vários metamateriais, as ondas de luz podem ser redirecionadas ao redor de um objeto, criando a impressão de que ele não está lá. Por exemplo, usar uma metasuperfície altamente transparente com cristais fotônicos dielétricos com dispersões de cone de Dirac pode tornar realidade a aparentemente impossível capa de invisibilidade.
- Captação de energia: As propriedades únicas dos metamateriais podem converter várias formas de energia ambiente, como ondas eletromagnéticas, ondas sonoras ou até vibrações mecânicas, em energia elétrica. Descobriu-se que um metamaterial à base de difluoreto de polivinilideno (PVDF) é capaz de converter energia mecânica em energia elétrica, o que também traz o benefício adicional de isolar as vibrações.
Múltiplos materiais melhorando a descarbonização de edifícios
À medida que o mundo aquece, mais ar-condicionado é necessário para manter os ambientes internos confortáveis. Ao mesmo tempo, o aumento do uso de fontes de energia renováveis, como solar e eólica, exige um armazenamento de energia que maximize o fornecimento durante os horários de pico de demanda que não coincidem com condições de sol ou vento.
Sistemas de energia térmica, também chamados de baterias térmicas, estão sendo cada vez mais comercializados para melhorar a eficiência e a condutividade térmica do aquecimento e resfriamento de edifícios e para capitalizar a geração de energia renovável. Os principais componentes desses sistemas são meios de armazenamento de energia térmica, isolamento e um trocador de calor.
Exemplos de meios de armazenamento de calor incluem água, tijolos ou concreto, cerâmicas, grafite, óxidos metálicos ou sais fundidos, todos com alta capacidade térmica para armazenamento. Esses sistemas também podem usar materiais de mudança de fase que armazenam calor ao mudar de sólido para líquido. Cera de parafina, hidratos de sal, ácidos graxos, polietilenoglicol e sal de Glauber são exemplos de materiais de mudança de fase usados no armazenamento de energia térmica. Por fim, esses sistemas podem usar materiais que armazenam calor ao realizar reações químicas reversíveis, como a perda de água. Materiais termoquímicos inovadores para esses processos incluem zeólitas, hidretos metálicos e hidróxidos.
Também vemos sistemas de armazenamento de energia térmica que usam materiais de armazenamento térmico à base de água para soluções de ar-condicionado. Esses sistemas resfriam edifícios usando pouquíssima eletricidade em horários de pico de preços, permitindo que os edifícios permaneçam confortáveis enquanto reduzem seus custos de energia. Materiais de mudança de fase também estão alimentando sistemas de armazenamento de energia térmica para aquecedores de água e até processos industriais que exigem alto calor. Isso pode ajudar a descarbonizar indústrias pesadas que têm lutado para reduzir suas emissões.
Muito além do isolamento: aerogéis encontram novas aplicações
Aerogéis, por vezes chamados de "fumaça congelada," são materiais leves com alta porosidade, descobertos pela primeira vez em 1931. Novas descobertas estão tornando esses materiais mais duráveis e, portanto, adequados para mais aplicações. Os aerogéis são sintetizados a partir de um gel onde o componente líquido é substituído por um gás, mantendo a integridade do gel. Isso é alcançado por meio de novos métodos de secagem que agora podem formar uma microestrutura dendrítica robusta e ultraleve, com poros menores que 100 nm e até 99,8% de espaço vazio.
Aerogéis de sílica têm sido amplamente utilizados em isolamento térmico e acústico. No entanto, aerogéis de polímeros sintéticos oferecem maior resistência mecânica do que os baseados em sílica e são mais adequados para aplicações de armazenamento e conversão de energia. Aerogéis de polímeros de base biológica também podem ser projetados para aplicações biomédicas, como engenharia de tecidos, medicina regenerativa e sistemas de liberação de fármacos. Além disso, compósitos de aerogel feitos com MXenes e estruturas metalorgânicas (MOFs) exibem condutividade elétrica, robustez mecânica e capacitância específica excepcionais, superando os supercapacitores convencionais.
Aplicações emergentes para aerogéis além do isolamento incluem:
- Engenharia biomédica, onde os aerogéis estão sendo usados para liberação de fármacos, agentes de cicatrização de feridas, antioxidantes, suportes para tecidos e muito mais.
- Armazenamento de energia, onde as aplicações incluem uma variedade de usos, como baterias recarregáveis, supercapacitores e células de combustível.
- Remediação ambiental, onde a alta porosidade, leveza e natureza ecológica dos aerogéis os tornam ideais para propósitos como limpeza de derramamentos de óleo.
O número de características e aplicações dos aerogéis é verdadeiramente notável. Você pode até encontrar aerogéis em seu protetor solar, já que a indústria de cosméticos utiliza cada vez mais esses materiais como agentes de proteção UV. Compósitos de aerogel de TiO2-sílica possuem propriedades fotoprotetoras, e adicioná-los a formulações de protetor solar aumenta o fator FPS além do que as formulações convencionais conseguem alcançar hoje. Eles também são resistentes à água, proporcionam um efeito mate na pele e não deixam resíduos brancos após a aplicação.
Materiais inteligentes na construção civil reduzem emissões
Edifícios em operação respondem por 30% do consumo global de energia. Sua construção também gera emissões significativas — o concreto é responsável por aproximadamente 8% das emissões globais, sendo o segundo material mais utilizado no mundo, depois da água. Ao usar materiais inovadores que duram mais e exigem menos energia ou calor para serem produzidos, a indústria da construção pode melhorar sua taxa de descarbonização. Além disso, materiais que podem ser mais eficientes no aquecimento ou resfriamento de uma estrutura existente serão importantes para reduzir as emissões do setor de construção como um todo.
Concreto autorregenerativo e janelas eletrocrômicas, dois exemplos importantes de materiais de construção inteligentes, estão passando da teoria para a prática e estão prontos para ajudar a controlar as emissões de setores de difícil redução, como a construção civil. O concreto é naturalmente propenso a rachaduras, e repará-lo ou substituí-lo por mais concreto é um processo intensivo em emissões. Inovações em agentes de cura e técnicas de encapsulamento estão viabilizando o concreto autorregenerativo. A Basilisk, por exemplo, utiliza três bactérias diferentes (Bacillus subtilis, Bacillus pseudofirmus e Bacillus sphaericus) que produzem calcário ao serem expostas ao oxigênio e à água. Quando o concreto contendo essa mistura racha, o oxigênio e a umidade do ambiente desencadeiam a produção de calcário nas bactérias para curar as fissuras. Avanços baseados em silício também estão impulsionando inovações em concreto hidrofóbico.
Além do processo de construção, novas aplicações da ciência dos materiais também estão ajudando a melhorar a pegada de carbono vitalícia dos edifícios. A tecnologia de janelas inteligentes usando películas eletrocrômicas pode diminuir o consumo de energia em edifícios bloqueando a luz. Trióxido de tungstênio e óxido de níquel são alguns dos materiais eletrocrômicos usados em janelas eletrocrômicas. A aplicação de um campo elétrico na película de cristais líquidos dispersos em polímero (PDLC) altera o arranjo de suas moléculas para uma forma ordenada, criando transparência e, assim, bloqueando ou transmitindo luz, resultando em uma janela opaca ou transparente.
Bambu oferece produtos de consumo melhores e mais sustentáveis
O uso do bambu remonta a séculos, mas avanços recentes no processamento e na engenharia estão provando que esses materiais podem ser uma alternativa sustentável aos polímeros puros, com aplicações em diversos setores. À medida que a demanda por materiais mais sustentáveis cresce, o mercado de produtos de bambu tem projeção de crescer de cerca de US$ 73 bilhões em 2025 para mais de US$ 111 bilhões até 2034.
O bambu é um recurso sustentável — ele cresce mais rápido que as árvores, regenera-se continuamente e sequestra mais carbono do que a maioria das árvores. Frequentemente, é combinado com polímeros sintéticos não biodegradáveis para melhorar suas propriedades mecânicas, particularmente a resistência. Compósitos de fibras de bambu com termofixos e termoplásticos mostram que possuem propriedades mecânicas iguais ou superiores, como resistência à tração, módulo e alongamento, em comparação aos polímeros originais. Especificamente, novos compósitos feitos de fibras de bambu com polímeros termofixos, como fenol-formaldeído e epóxi, demonstram as melhores propriedades mecânicas. A plastinação, que envolve a desidratação e a infusão de polímeros como silicone e poliéster, também torna o bambu mais durável.
Estudos recentes também mostram que, quando o biopolímero ácido polilático é combinado com pó de fibra de bambu e aerogel de sílica, o compósito resultante apresenta propriedades mecânicas aprimoradas, como resistência à tração e módulo de Young, além de um melhor efeito de barreira contra vapor de água/oxigênio, em comparação ao ácido polilático puro. Essas propriedades mecânicas aprimoradas têm aplicações potenciais em embalagens sustentáveis.
A lacuna entre oferta e demanda é um desafio contínuo na ampla adoção do bambu. No entanto, avanços recentes em biotecnologia, como a propagação in vitro e a cultura de tecidos, estão tornando a produção de bambu mais eficaz e confiável, evitando a superexploração dos recursos. Com o mercado de produtos de bambu se expandindo para móveis, embalagens, produtos de higiene pessoal e vestuário, este material se tornará cada vez mais importante na oferta de produtos mais sustentáveis para os consumidores.
Tecidos termicamente adaptáveis melhoram desempenho, segurança e conforto
Seja para atletas que se exercitam em altas temperaturas ou bombeiros que enfrentam condições perigosas, o vestuário desempenha um papel crucial em nos manter confortáveis, seguros e capazes de ter o melhor desempenho. Inovações em têxteis termicamente adaptáveis estão apoiando essas capacidades graças a polímeros, aerogéis e compósitos inteligentes.
Os tecidos adaptáveis de hoje utilizam isolamento térmico, gerenciamento de umidade, tamanhos de poros dinâmicos, termocromismo e coleta de calor radiante para tornar as roupas mais responsivas a diferentes condições ambientais. Os avanços mais recentes incluem:
- Modulação óptica: Novos tecidos podem alterar a quantidade de luz que absorvem em resposta a flutuações de temperatura. Grafeno, tecido de fibra de vidro com grafeno e nanofibras de poliacrilonitrila provaram ser eficazes. Os tecidos ópticos são esteticamente agradáveis e podem ser usados para terapia de luz e detecção de sinais vitais.
- Materiais termoresponsivos: Polímeros com memória de forma, polímeros hidrofílicos e materiais de mudança de fase microencapsulados alteram sua forma e estrutura em resposta a flutuações de temperatura. Eles controlam a quantidade de ar e umidade que passa pelos poros do tecido, resultando no aquecimento ou resfriamento de quem os usa.
- Materiais termocrômicos: Usando cristais líquidos, pigmentos e polímeros termocrômicos, esses materiais mudam de cor em resposta à temperatura, regulando a quantidade de luz absorvida pelo tecido. Esses tecidos podem mudar para uma cor mais clara para refletir o calor de quem os usa ou mudar de cor para camuflagem militar.
- Polímeros condutores: Polímeros como polipirrol, polianilina, politiofeno e seu derivado, poli(3,4-etilenodioxitiofeno), podem conduzir calor e eletricidade. Eles ajudam a regular a temperatura dissipando efetivamente o calor corporal. Materiais como nanofios de prata e nitreto de boro também podem regular a temperatura por meio da dissipação eficaz de calor do tecido.
No CAS, mantemos o dedo no pulso das novas inovações em ciência dos materiais na interseção da química, física e engenharia. Por meio da CAS Content CollectionTM, o maior repositório de informações científicas com curadoria humana, analisamos constantemente as publicações de periódicos e patentes mais recentes de todo o mundo. Isso nos dá uma visão única das inovações mais recentes e de quais avanços estão chegando à comercialização.
