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Brasileiros revolucionam fabricação de cimento
Com informações da Agência USP - 17/04/2013
Engenheiros alemães apresentaram
recentemente uma técnica para reciclagem cimento e concreto
usando raios.[Imagem: Fraunhofer IBP]
Cientistas da Escola Politécnica da USP
desenvolveram uma nova técnica para a fabricação de cimento combinando
matérias-primas simples com ferramentas e conceitos avançados na gestão do
processo industrial.
O resultado pode ser uma revolução mundial na
indústria cimenteira.
Segundo o professor Vanderley John, um dos
responsáveis pelo projeto, o novo processo industrial permitirá dobrar a
produção mundial de cimento sem precisar construir novos fornos e, portanto,
sem aumentar as emissões de gases de efeito estufa.
O cimento Portland tradicional é composto basicamente
por argila e calcário, substâncias que, quando fundidas em um forno sob altas
temperaturas, transformam-se em pequenas bolotas chamadas clínquer.
Esses grãos de clínquer são moídos com o mineral
gipsita (matéria-prima do gesso) até virarem pó.
"Estima-se que para cada tonelada de
clínquer são emitidos entre 800 e 1.000 quilos de CO2, incluindo o CO2 gerado
pela decomposição do calcário e pela queima do combustível fóssil (de 60 a 130
quilos por tonelada de clínquer)", diz o professor John.
"A indústria busca alternativas para
aumentar a ecoeficiência do processo substituindo parte do clínquer por escória
de alto-forno de siderúrgicas e cinza volante, resíduo
de termelétricas movidas a carvão. O problema é que a indústria do aço e a
geração de cinza crescem menos que a produção de cimento, o que inviabiliza
essa estratégia a longo prazo," explica ele.
Carga
bem distribuída
A nova tecnologia consiste basicamente em
aumentar a proporção de carga (filler) na fórmula do cimento Portland,
adicionando dispersantes orgânicos que afastam as partículas do material e
possibilitam menor uso de água na mistura com o clínquer.
A carga é uma matéria-prima à base de pó de
calcário que dispensa tratamento técnico (calcinação), processo que, na
fabricação do cimento, é responsável por mais de 80% do consumo energético e
90% das emissões de CO2.
A fórmula para calcular a quantidade de carga no
cimento é usada desde 1970, estabelecendo que a quantidade do material de
preenchimento não poderia ser alta porque havia o risco de comprometer a
qualidade do produto.
Outra equipe brasileira já havia desenvolvido um cimento alternativo capaz
de substituir até 80% do cimento portland. [Imagem: Ag.USP]
Os pesquisadores brasileiros descobriram que
isto não é verdade.
"Em laboratório, foi possível chegar a
teores de 70% de filler, sendo que atualmente ele está entre 10% e
30%", afirma John. "Com isso será possível dobrar a produção mundial
de cimento sem construir mais fornos e, portanto, sem aumentar as
emissões".
A solução veio da matemática, mais
especificamente de estudos que, muitas vezes, parecem teorias sem qualquer
ligação com a praticidade do mundo industrial.
"A tecnologia é baseada em modelos de
dispersão e empacotamento de partículas que possibilita organizar os grãos por
tamanho, favorecendo a maleabilidade do cimento", diz o professor Rafael
Pileggi, coautor do estudo. "Por meio da reologia, ramo da ciência que
estuda o escoamento dos fluidos, obteve-se misturas fluidas com baixo teor de
clínquer e outros ligantes como a escória. Também foi possível reduzir a quantidade
de cimento e água utilizados na produção de concreto, sem perda da
qualidade".
"O estudo atual mostrou que é possível
mudar a forma como se fabrica cimento, concretos e argamassas", comemora
John. "Agora é preciso desenvolver uma tecnologia de moagem sofisticada em
escala industrial."
A Escola Politécnica da USP já está negociando
parcerias com as indústrias cimenteiras para aperfeiçoar e transferir a nova
técnica.
Líquido sobre líquido vira sólido
Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/04/2013
Ilustração da nanocamada de cristais que se forma espontaneamente quando
dois líquidos que não se misturam entram em contato um com o
outro.[Imagem: CAU]
Água e óleo são os exemplos mais conhecidos de
líquidos que não se misturam - mas há muitos mais desses casos, alguns de
grande interesse industrial.
Mas o que acontece na interface entre dois
líquidos que não se misturam?
Por que suas moléculas não se mesclam? Ou
melhor, o que impede que suas moléculas se mesclem?
A resposta para essas e várias outras perguntas
sobre o que acontece na interface entre dois líquidos acaba de ser dada por uma
equipe de cientistas da Universidade de Kiel e do acelerador DESY (Deutsches
Elektronen-Synchrotron)), ambos na Alemanha.
E a descoberta principal é: formam-se
nanocristais sólidos na interface entre os dois líquidos tão logo eles são
postos um contato com o outro.
Em um experimento que alcançou uma precisão
inédita, os pesquisadores conseguiram fazer imagens da interface entre os dois
líquidos com precisão atômica, lançando as primeiras luzes sobre um fenômeno
que era completamente desconhecido até agora.
Difratômetro LISA, o instrumento usado para
pegar os raios X do acelerador e dirigi-los para o estudo das interfaces nas
amostras de líquido. [Imagem: DESY]
O estudo foi feito em uma amostra de mercúrio em
solução salina com flúor, bromo e íons de chumbo: apesar de as moléculas nos
dois líquidos serem desordenadas, formou-se imediatamente uma fina camada
ordenada de átomos na interface.
As imagens mostram a formação de um cristal bem
ordenado, ao longo de toda a interface entre os dois líquidos, com cerca de
cinco camadas atômicas - isto é, cinco vezes mais espessura do que ografeno.
E esta camada inicial funciona como uma fundação
para o crescimento eventual de cristais ainda maiores.
"Nossos dados de raios X mostram que esta
camada sólida consiste de uma camada atômica de flúor entre duas camadas de
chumbo e de bromo. Subsequentemente, cristais maiores cresceram perfeitamente
alinhados sobre o topo desta camada de nanocristal," explicou Annika
Elsen, principal autora do trabalho.
Segundo os pesquisadores, a descoberta poderá
ter um impacto direto no processo de produção de semicondutores e
de nanopartículas.
De fato, nos últimos anos, uma série de
processos químicos para fabricação de nanomateriais e nanopartículas tem-se
baseado no crescimento de cristais sobre meios líquidos.
Bibliografia:
In situ X-ray studies of adlayer-induced crystal nucleation at the liquid-liquid interface
Annika Elsen, Sven Festersen, Benjamin Runge, Christian T. Koops, Benjamin M. Ocko, Moshe Deutsch, Oliver H. Seeck, Bridget M. Murphy, Olaf M. Magnussen
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1073/pnas.1301800110
In situ X-ray studies of adlayer-induced crystal nucleation at the liquid-liquid interface
Annika Elsen, Sven Festersen, Benjamin Runge, Christian T. Koops, Benjamin M. Ocko, Moshe Deutsch, Oliver H. Seeck, Bridget M. Murphy, Olaf M. Magnussen
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1073/pnas.1301800110
Kepler
descobre planetas parecidos com a Terra na zona habitável
Redação do Site Inovação
Tecnológica - 18/04/2013
Este diagrama compara os planetas interiores do Sistema Solar com o
sistema planetário Kepler-69, um sistema de dois planetas a cerca de 2.700
anos-luz da Terra, na constelação do Cisne.[Imagem: NASA Ames/JPL-Caltech]
Os céus
e as Terras
O telescópio espacial Keplerdescobriu
dois novos sistemas planetários que possuem planetas na zona habitável.
Zona habitável é
o intervalo de distância de uma estrela onde a temperatura da superfície de um
planeta em órbita é adequada para a existência de água em estado líquido.
O sistema Kepler-62 tem cinco planetas: 62b,
62c, 62d, 62e e 62F.
Três deles - Kepler-62e, 62F e 69c - são
planetas conhecidos como "super-Terras", planetas ligeiramente
maiores do que a Terra, mas menores do que os gigantes gasosos, como Júpiter e
Saturno.
O sistema Kepler-69 tem dois planetas, 69b e
69c.
A zona habitável varia entre os diversos tipos
de estrela. [Imagem: Lisa Kaltenegger (MPIA)]
Outras
Terras
Dois dos planetas recém-descobertos orbitam uma
estrela menor e mais fria do que o Sol.
O exoplaneta Kepler-62F é apenas 40% maior do
que a Terra, o que o torna o exoplaneta de dimensões mais próximas do nosso
planeta localizado na zona habitável de uma outra estrela.
Além disso, o Kepler-62F provavelmente tem uma
composição rochosa, o que torna sua identificação a maior descoberta já
realizada pelo telescópio Kepler, que foi ao
espaço juntamente para procurar "outras Terras".
O exoplaneta Kepler-62e orbita sua estrela na
borda interna da zona habitável e é cerca de 60% maior do que a Terra.
O terceiro planeta, Kepler-69c, é 70% maior do
que a Terra e orbita na zona habitável de uma estrela semelhante ao nosso Sol.
Tamanhos relativos dos exoplanetas descobertos
na zona habitável. Da esquerda para a direita: Kepler-22b, Kepler-69c,
Kepler-62e, Kepler-62F e a Terra. Com exceção da Terra, as demais imagens são
ilustrações artísticas, já que os planetas não podem ser visualizados
diretamente. [Imagem: NASA Ames/JPL-Caltech]
Irmão-gêmeo
da Terra
Os astrônomos não têm ainda certeza sobre sua
composição, mas a sua órbita de 242 dias em torno de uma estrela parecida com o
Sol se assemelha à do nosso vizinho Vênus.
Apesar de estarem na zona habitável, os dados
não são suficientes para afirmar que a água em estado líquido de fato exista
nos exoplanetas recém-descobertos - menos ainda se há vida neles.
De qualquer forma, sua descoberta mostra que
estamos a um passo de encontrar um mundo semelhante à Terra em torno de uma
estrela como o nosso Sol - um irmão-gêmeo da Terra.
E isso não deverá tardar a acontecer, já que os
cálculos indicam que há mais planetas que estrelas na
Via Láctea.
Nanoeletrônica
vence lei do equilíbrio da Termodinâmica
Redação do Site Inovação
Tecnológica - 18/04/2013
O que é mais importante do ponto de vista prático é que os átomos de
alumínio apresentam uma distribuição totalmente uniforme no meio do cristal de
silício - parte inferior desta visualização. [Imagem: Nature/MPI of
Microstructure Physics]
Nanofios
A microeletrônica cada vez mais se torna nanoeletrônica.
Um verdadeiro salto nesse sentido acaba de ser
dado por uma equipe de pesquisadores da Alemanha e do Canadá - e, nesse salto,
eles pularam por cima da termodinâmica.
Desobedecendo todas as teorias,nanofios de silício mostraram-se
capazes de absorver quantidades enormes de alumínio, aumentando drasticamente
sua condutividade elétrica.
Mesmo antes desta descoberta, os nanofios vinham
entusiasmando os pesquisadores devido à sua elevada eficiência e ampla gama de
utilizações, inclusive em células solares.
Os novos nanofios com alta proporção de alumínio
poderão não apenas ser utilizados individualmente, mas também servirem como
blocos para a construção de outros componentes de alto desempenho em nível
nanométrico.
Dopagem
colossal
Não seria possível construir um chip com silício
completamente puro.
Sua condutividade é suficiente para que a
corrente flua pelos transistores somente
quando elétrons ou lacunas adicionais são adicionados para aumentar as
portadoras de carga no semicondutor.
E isso é feito adicionando quantidades
cuidadosamente controladas de outros materiais ao silício, um processo chamado dopagem.
No método convencional utilizado para fabricar
nanofios o material é dopado por meio de uma incorporação espontânea de átomos
de alumínio.
A termodinâmica regula, entre outras coisas, a
quantidade de uma substância que pode dissolver-se em outra, e isto aplica-se
tanto a líquidos quanto a ligas formadas por metais sólidos.
Segundo a lei da termodinâmica, menos de um em
cada milhão de átomos de silício pode ser substituído por alumínio.
Micrografia do nanofio de alto alumínio,
mostrando a perfeita disseminação do metal no semicondutor - esta imagem do
componente real pode ser comparada com a projeção teórica da primeira imagem.
[Imagem: Nature/MPI of Microstructure Physics]
"O silício aqui absorve até 10.000 vezes
mais alumínio do que as leis da termodinâmica permitem," afirma Eckhard
Pippel, pesquisador Instituto Max Planck de Física de Microestruturas.
O grupo verificou que o teor de alumínio nos
nanofios de silício chega aos 4% - contra menos de 0,0001% estabelecido pela
termodinâmica.
Mas o que é mais importante do ponto de vista
prática é que os átomos de alumínio apresentam uma distribuição totalmente
uniforme no meio do cristal de silício.
"No dia em que eu vi os resultados, eu dei
um pulo de susto," diz Oussama Moutanabbir, principal autor do estudo.
"Os dados nos surpreenderam por causa da alta concentração, por um lado, e
também porque os átomos de alumínio não formam aglomerados no silício."
O alto teor de alumínio no silício seria inútil
se o dopante formasse aglomerados, já que o número de portadoras de carga no
silício aumenta apenas quando os átomos de alumínio são distribuídos
uniformemente.
Nanoeletrônica
1 x 0 Termodinâmica
Mas não é todo dia que se desafia a
termodinâmica. Então, os pesquisadores partiram em busca de uma explicação.
"O fato de que a concentração se desvia tão
fortemente das previsões da termodinâmica deve-se aos efeitos cinéticos,"
diz Stephan Senz.
A termodinâmica sempre descreve um estado ideal
de equilíbrio na natureza no qual os compostos químicos tentam atingir o menor
nível possível de energia, o qual eles tentam manter de forma permanente.
Para os cristais, como o silício, isto
significa: conter preferencialmente o menor número possível de átomos de
impurezas.
No entanto, quando este estado ideal não é
alcançado, a culpa é sempre colocada na cinética.
Um dos processos usados na fabricação dos
nanofios de silício e alumínio ocorre muito rapidamente ou muito lentamente
para que o estado ideal de equilíbrio possa ser atingido.
Esta sequência de microfotografias ilustra bem o
caminho da microeletrônica rumo à nanoeletrônica - o componente final, no alto,
é o nanofio usado neste experimento. [Imagem: Moutanabbir et al./Nature]
Nanomateriais
exóticos
"Nós suspeitamos que o efeito também ocorra
com outras combinações de semicondutores e metais," diz Moutanabbir.
"Eu acho entusiasmante que o crescimento dos nanofios ocorra longe do
equilíbrio químico."
Os pesquisadores afirmam acreditar que processos
similares possam ser utilizados para fabricar nanomateriais com composições
químicas exóticas, que são impossíveis de produzir no estado de equilíbrio
termodinâmico.
Bibliografia:
Colossal injection of catalyst atoms into silicon nanowires
Oussama Moutanabbir, Dieter Isheim, Horst Blumtritt, Stephan Senz, Eckhard Pippel, David N. Seidman
Nature
Vol.: 496, 78-82
DOI: 10.1038/nature11999
Colossal injection of catalyst atoms into silicon nanowires
Oussama Moutanabbir, Dieter Isheim, Horst Blumtritt, Stephan Senz, Eckhard Pippel, David N. Seidman
Nature
Vol.: 496, 78-82
DOI: 10.1038/nature11999
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O sábio basta a si mesmo