Grafeno nº7 | junho 2023

no 7 | junho 2023

DESENVOLVENDO MATERIAL DE REFERÊNCIA DE ÓXIDO DE GRAFENO PARA

CERTIFICAÇÃO DE PRODUTOS INDUSTRIAIS

AVANÇO TECNOLÓGICO NA PESQUISA DE MATERIAIS AVANÇADOS

EQUIPE MANGUE BAJA: A CULTURA PERNAMBUCANA NAS PISTAS

IMPACTO DA NANOTECNOLOGIA NOS LUBRIFICANTES AUTOMOTIVOS

RESÍDUOS DE PNEUS COMO FONTE DE NANOPARTÍCULAS DE CARBONO

APLICAÇÃO DE GRAFENO EM POLÍMEROS

COMPOSTOS DE GRAFENO: UMA

ANÁLISE INICIAL DOS IMPACTOS NA

SAÚDE E NO MEIO AMBIENTE

FALTA DE GERENCIAMENTO DE MUDANÇAS: A ETERNA DOR DE CABEÇA DOS CLIENTES

FÓRUM GRAFENO 2023:

conteúdo | no 7 | junho 2023

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Editorial

Grafeno, ainda estamos aprendendo! por Marco Antonio Colosio

Estamos felizes em concluir mais uma edição da Revista Grafeno, mantendo a qualidade desejada e perseguida aos longos destes últimos meses.

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Coluna 7

Uma contribuição para a mobilidade no transporte marítimo e fluvial por Fernando Galembeck e Eduardo Galembeck

Um tema de mobilidade importante é o transporte em vias aquáticas, seja marítimo ou fluvial.

Coluna 9

Grafeno, Nanotecnologia e Semiondutores hoje e amanhã - Parte 2 por Leandro Berti Caros leitores, conforme informado na coluna anterior, seguiremos com o tema dos semicondutores. Decidi também comentar um pouco mais do cenário antes de avançar no conteúdo da tecnologia em si.

Coluna 14

Inovação por Hugo Resende

O termo inovação entrou para valer na agenda de desenvolvimento do país em 2001, marcado pela realização da 2a Conferência Nacional de Ciência, Tecnologia e Inovação.

Coluna 16

Ferramentas de Engenharia: Fundamentos para sustentabilidade por Eduardo Nunes

Uma das fortes características da indústria, principalmente a automotiva, é sua alta competividade.

ARTIGOS Aplicação de Grafeno em Polímeros

por Jordão Gheller Jr.

A nanociência nasceu, cresceu e evoluiu muito nos últimos vinte anos, aumentando de importância na medida em que uma maior capacidade de manipulação e avaliação destas nanoestruturas se desenvolveu. Nos anos 90, a descoberta de nanocompósitos poliméricos pelo grupo de pesquisa da Toyota [1] abriu uma nova dimensão no campo da ciência dos materiais.

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por Equipe Mangue Baja - UFPE

Desde a sua fundação em 15 de junho de 1999, a equipe Mangue Baja se estabeleceu como um projeto de extensão da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), com o objetivo de representar a cultura pernambucana e recifense por onde passa.

O Impacto da Nanotecnologia para os Lubrificantes Automotivos

por Marcos B. Garcia

A inovação disruptiva é um acontecimento que traz facilidade e acessibilidade às empresas em que a complicação e o alto custo fazem parte do dia a dia. O conceito de transformar produtos extremamente caros em itens acessíveis, está presente em nosso cotidiano através da Nanotecnologia.

por Andre Gasparotti

O avanço na pesquisa de materiais avançados desempenha um papel de alta relevância na indústria da mobilidade, impulsionando a inovação, a eficiência e a sustentabilidade em vários setores, como automotivo, aeroespacial, ferroviário, aquaviário e na mobilidade humana em geral.

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ARTIGOS

Desenvolvimento de Material de Referência de Óxido de Grafeno para Certificação de Produtos Industriais

35 por Jessica Luzardo e Joyce

Araujo (INMETRO)

Ao longo dos séculos, os avanços científicos e tecnológicos ocorreram de forma contínua, e irreversível, sempre acompanhando as necessidades da indústria e da sociedade.

Resíduos de Pneus como Fonte de Nanopartículas de Carbono

38 por Ronaldo Gonçalves dos Santos

A gestão de resíduo de pneus é um sério problema ambiental. O descarte inadequado de pneus em lixões e aterros sanitários podem resultar na contaminação de lençóis freáticos e cursos d’água.

Compostos de Grafeno: Uma Análise Inicial dos Impactos na Saúde e no Meio Ambientes

40 por Marcelo Alexandre Tirelli

O grafeno, um nanomaterial bidimensional composto por uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal, foi descoberto por Geim e Novoselov em 2004. Desde então, tem atraído atenção global devido às suas propriedades excepcionais, incluindo alta condutividade elétrica e térmica, leveza, flexibilidade e resistência mecânica.

A falta de Gerenciamento de Mudanças: a eterna dor de cabeça dos clientes

48 por Luiz Tubino

Não é raro nos dias de hoje problemas de qualidade devido a mudanças não autorizadas de produto e ou processo, gerando os mais variados impactos até mesmo recall.

Grafeno, ainda Estamos Aprendendo!

Estamos felizes em concluir mais uma edição da Revista Grafeno, mantendo a qualidade desejada e perseguida aos longos destes últimos meses. Esta edição, além do foco em temas de grafeno e outros voltados à mobilidade, tem um apelo para a necessidade de integração de áreas correlatas ao universo de aplicação do grafeno.

O ano de 2023 começou com muitas incertezas e aos poucos vem tomando seu rumo e estes sentimentos são similares aos que vivemos para o universo grafeno; isto é, idealizamos um futuro brilhante para este produto, mas não existe a previsibilidade de que forma chegaremos nesta reta final. Sendo mais específico, existem barreiras enormes para superar os desafios, a começar com a credibilidade, formas de certificação, homologação e validação do grafeno e por fim, atender a escala industrial.

Quando a equipe de materiais avançados do INMETRO intensificou as atividades do Fórum Grafeno, ficou mais claro o nosso público alvo e as necessidades primárias desta área. Por outro lado, estamos assistindo um contínuo crescimento de ICTs que fornecem grafeno, a maioria para pesquisas científicas e algumas outras para construção de produtos finais; mas ainda pouco se faz na criação de startups, que é o caminho essencial para o crescimento local desta tecnologia, viabilização da produção e atendimento das demandas de produtos que devem chegar em breve aos consumidores. Estamos firmes na criação de procedimentos e qualificação de laboratórios, equipamentos e testes e ter o controle do campo metrológico na diversidade de aplicação do grafeno; todavia, esta estrada será longa e certamente, o ponto de partida está, primeiramente, no mapeamento da situação brasileira, reconhecendo cada “player” da cadeia envolvida com grafeno.

Esta edição da Revista Grafeno tratou de trabalhos aplicados e que resultaram em boas práticas, como no caso do tema na área de pneus do prof. Ronaldo Gonçalves da FEI e do Marcos Garcia em lubrificantes. Também neste sentido, adiciona-se a coluna do prof. Fernando Galembeck que despertou muito interesse e vantagens tecnológicas do uso de grafeno em proteção de casco de embarcações. Somados aos temas diretos em grafeno, trouxemos uma coleção de assuntos correlatos, como por exemplos: na área de segurança ocupacional com o prof. Marcelo Tirelli, ferramentas de engenharias com Dr. Eduardo Nunes e normativas de qualidade do especialista Luiz Tubino. Em adicional, a presença de outros temas brilhantes de colaboradores, dentre eles, o Baja da equipe da UFPE, o material técnico do Dr. Jordão Gheller Jr. do Instituto SENAI de Inovação em Engenharia de Polímeros/ RS e a descrição do conceito de inovação pela visão do Dr.

Hugo Resende, personalidade envolvida na criação do Parque Tecnológico de SJC e de atividades da área aeronáutica.

Com muita simpatia, nesta edição, temos a participação do presidente da SAE BRASIL, engenheiro André Gasparotti, debatendo os avanços na pesquisa e desenvolvimento de materiais avançados do setor da mobilidade.

A equipe da Revista Grafeno ainda tem muito trabalho para concluir o planejado em 2023, ou seja, publicar mais duas edições no segundo semestre e colaborar diretamente na construção e execução do evento “Primeiro Encontro do Fórum Grafeno” em novembro no SENAI ISI Mário Amato, realmente será emocionante estar por perto deste momento de grande relevância ao nosso País. Aproveitem esta edição e estejam conosco neste desafio.

Mentor do Núcleo Grafeno da SAE BRASIL. Diretor da Regional São Paulo da SAE BRASIL. Engenheiro Metalurgista e Doutor em Materiais pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-USP, pós-doutorado pela EESC-USP. Professor titular do curso de Engenharia de Materiais da Fundação Santo André e professor da pós-graduação em Engenharia Automotiva do Instituto de Tecnologia Mauá. Colaborador associado da SAE BRASIL com mais de 35 anos de experiência no setor automotivo nos campos de especificações de materiais, análise de falhas, P&D e inovações tecnológicas.

Marco Antonio Colosio marcocolosio@gmail.com

Uma contribuição para a mobilidade no transporte marítimo e fluvial

Um tema de mobilidade importante é o transporte em vias aquáticas, seja marítimo ou fluvial. É o transporte de mais baixo custo, lento, mas econômico. É secular, mas se moderniza continuamente, contribuindo para aumentar o acesso de muitas populações a bens produzidos em locais distantes, a custos aceitáveis.

No Brasil, a mídia demonstra a importância do transporte marítimo de longa distância diariamente, no noticiário econômico sobre as exportações brasileiras. Nestas predominam as commodities com baixa densidade de valor, como o minério de ferro, a soja e o milho, que não seriam competitivas nos mercados externos se não pudéssemos contar com o baixo custo do transporte marítimo.

Muitos países ricos mostram exemplos impressionantes do uso e dos benefícios do transporte fluvial. Basta observar o Rio Mississipi próximo à sua foz, em New Orleans. Enormes comboios de barcaças, empurrados por barcos potentes mas econômicos transportam mais de mil toneladas em cada viagem.

No Brasil, temos poucos exemplos a elogiar. A navegação costeira, de cabotagem, é praticamente inexistente. A navegação fluvial viabiliza o transporte de cargas de baixo valor unitário no Rio Paraná, contribuindo para a produção do agronegócio, mas recebe baixa prioridade nas épocas de escassez de água. Acaba sendo paralisada, porque não existe uma infraestrutura de dragagem que compense os efeitos do assoreamento. A falta de infraestrutura logística de mobilidade aquática nos custa caro, contribui para o Custo Brasil, mas raramente é lembrada, entre os fatores de dissipação da riqueza nacional.

Uma vantagem do transporte aquático é o baixo gasto de combustível por tonelada transportada. Por isso mesmo, o transporte aquático tem os mais baixos níveis de emissão de gases de efeito estufa, por tonelada. Mesmo assim, a escala gigantesca das cargas transforma as embarcações em grandes consumidores de combustível, pesando no custo logístico e fazendo uma contribuição significativa às emissões globais.

Reduzir o consumo de combustível na mobilidade aquática produz benefícios econômicos e ambientais, barateia o transporte e reduz as emissões. E como isso pode ser feito? O assunto tem merecido muita atenção já provocou muitas ideias. Uma forma de fazer isso é reduzir a colonização dos cascos de navios por organismos marinhos, destacando-se as cracas, que formam crostas rugosas, aumentando o atrito, reduzindo a velocidade e aumentando o gasto de combustível e as emissões de gases de efeito estufa. O atual estado da arte de proteção de navios contra cracas e outros organismos colonizadores é o uso de tintas venenosas, que funcionam, mas são uma fonte de poluição ambiental.

Superfícies de grafeno são extremamente lisas e são hidrofóbicas, portanto não interagem fortemente com a água. Essas duas características são muito desejáveis para reduzir o atrito entre um navio e o mar. Mas revestir cascos de navios com grafeno está fora das perspectivas atuais, por razões científicas, técnicas e econômicas. Uma opção é usar revestimentos formados por grafite esfoliado e reorganizado (ERG), criados no Inomat, um projeto INCT.*

A esfoliação é conseguida quando grafite é disperso em alguns meios líquidos, produzindo lâminas finas de grafeno e nanografites. Aplicando a dispersão líquida a uma superfície, como uma tinta, e deixando secar o filme aplicado, grafeno e nanografites se associam. Resulta uma fina camada contínua, que pode ser polida gerando uma superfície extremamente lisa e resistente à adesão por quaisquer agentes do seu ambiente.

A resistência do revestimento de ERG à colonização pelas cracas é explicada por duas características de ERG: é formado por pilhas de lâminas finíssimas, entre as quais a atração é fraca. Entretanto, uma pequena fração da área das folhas é coberta pelo agente esfoliante que atua como adesivo entre as lâminas, quando a tinta seca. O resultado é que as lâminas despelam ou descascam com facilidade. Como elas são muito finas, sua saída não prejudica o restante do filme. Isso é fácil de verificar, colando e em seguida arrancando pedaços de fita adesiva ao revestimento de ERG. Uma pequeníssima quantidade de tinta é arrancada, de cada vez, mas o filme só revela desgaste depois de centenas de arrancamentos. Portanto, o ERG forma um revestimento formado por camadas fracamente ligadas. Especialistas em adesão chamam isso de “weakly bound layers”, com a sigla WBL e são essas WBLs que dificultam a adesão de quase qualquer tinta a filmes plásticos de polietileno e outros materiais muito usados em embalagens.

O que se passa quando um organismo marinho tenta se fixar no casco de uma embarcação revestido com ERG? Ele pode até aderir momentaneamente, mas é arrancado pelo movimento das águas no seu entorno, preso a umas poucas lâminas muito finas. Uma autêntica “puxada de tapete”.

Aplicando essas idéias, criamos uma tinta esfoliante, que foi testada em laboratório e no casco de um veleiro. A formulação foi aperfeiçoada, e os primeiros testes de desempenho da tinta no mar foram iniciados em janeiro de 2023, na praia do Itaguá, em Ubatuba, local onde as bioincrustação ocorre muito rapidamente. Até agora, a superfície do casco permanece sem manutenção e com pouquíssima incrustação, que sai facilmente apenas passando a mão.

Este sucesso estimulou o passo seguinte, que foi a pintura de cascos de outros veleiros. O primeiro deles pertence a Gian Franco F.

Jaque, empreendedor da área de vela oceânica, que realizou os testes com o primeiro casco (veja a figura 1).

Medindo-se a velocidade quando o barco estava sendo propelido a motor, foi percebido um outro resultado muito interessante: a velocidade aumentou em no mínimo 20%, até 40% sob potência constante e o motor passou a operar em temperatura mais baixa que operava anteriormente, o que indica que uma menor potência estava sendo exigida. Portanto, o ERG pode proporcionar uma economia significativa de combustível, além de atuar como anti-incrustante.

O resultado é excelente, mas a essa altura o leitor pode estar se perguntando porque essa coluna começou tratando de transporte de cargas, em grandes embarcações, e os experimentos estão sendo feitos com veleiros. A explicação é uma regra muito adotada no desenvolvimento de materiais: os primeiros testes devem ser feitos com material esportivo, brinquedos e outras aplicações que não possam criar grandes riscos e são utilizadas em condições adversas. Velejadores são conhecidos por serem bastante atentos a tudo que acontece em suas embarcações, uma vez que qualquer anomalia pode ser sinal de perigo. Estão sempre atentos às forças que atuam sobre o deslocamento de seus veleiros, sendo excelentes parceiros para poder compreender os diferenciais das tintas que aplicam no casco de suas embarcações.

Concluindo, essa tinta anti-incrustante sem venenos é mais uma aplicação de um derivado do grafeno, que está revelando impactos positivos na economia e na preservação ambiental.

* Inomat é o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Materiais Complexos Funcionais, uma rede de pesquisas apoiada pelo CNPq, FAPESP e CAPES. Os produtos baseados em ERG são desenvolvidos pela Galembetech Ltda., uma start-up apoiada popr um projeto PIPE 2 da Fapesp e um projeto PIPE-PAPPE da Fapesp com a Finep

É bacharel, licenciado e doutor em Química pela USP onde começou sua carreira e chegou a livredocente em 1977, depois de pós-doutorados nas Universidades do Colorado e da Califórnia e de um estágio no Unilever Research Port Sunlight Laboratory. Mudou-se para a Unicamp em 1980, tornando-se professor titular em 1987. Dirigiu o Instituto de Química entre 1994 e 1998, foi Coordenador Geral da Universidade e se aposentou em 2011, assumindo a direção do Laboratório Nacional de Tecnologia, do CNPEM. Sempre manteve uma atividade ninterrupta e intensa de ensino de graduação e de orientação de estudantes, expressa em uma extensa produção científica e tecnológica que foi premiada em muitas ocasiões, no Brasil e Exterior, destacando-se os prêmios Álvaro Alberto em 2005 e o prêmio Anísio Teixeira de Educação, em 2011. Em 2020, recebeu o Prêmio CBMM de Tecnologia, a sua startup Galembetech recebeu prêmios da Abiquim e Abrafati e em 2021 foi premiado como Pesquisador Emérito do CNPq. Muitos dos seus estudantes destacaram-se profissionalmente, em universidades e empresas, no Brasil e no Exterior, sendo também premiados em muitas ocasiões.

Fernando Galembeck

Esta coluna teve colaboração de Eduardo Galembeck

Figura 1. Foto do veleiro Blue Peace, mostrando seu casco pintado com a tinta incrustante feita com grafite esfoliado (para formar nanografites e grafeno) e depois reorganizado, formando um filme coeso

GRAFENO, NANOTECNOLOGIA E SEMICONDUTORES HOJE E AMANHÃ – PARTE 2

Caros leitores, conforme informado na coluna anterior, seguiremos com o tema dos semicondutores. Decidi também comentar um pouco mais do cenário antes de avançar no conteúdo da tecnologia em si. Recentemente um levantamento da Semiconductor Industry Association [1] anunciou que as vendas totais de semicondutores em Fevereiro deste ano (2023) foi de $ 39,7 bilhões, resultando em uma queda de 4% comparado a Janeiro do mesmo ano. Interessante notar que essa queda vem acontecendo ano-por-ano e mês-a-mês pelos últimos 6 meses consecutivos, conforme Figura 1. A Previsão do mercado de semicondutores pela World Semiconductor Trade Statistics (WSTS)[2] em outono de 2022, já previa uma queda de 4.1% em

2023 e previa uma queda de 4,4%. Regionalmente, as vendas ano a ano aumentaram ligeiramente em fevereiro no Japão (1,2%), mas diminuíram na Europa (-0,9%), nas Américas (-14,8%), na Ásia-Pacífico/Todos os outros (-22,1%) e na China (-34,2%). As vendas mensais caíram em todas as regiões: Europa (-0,3%), Japão (-0,3%), Ásia-Pacífico/Todas as demais (-3,6%), Américas (-5,3%) e China (-5,9 %). Em resumo o mercado de semicondutores encolheu 20,7% em Fevereiro de 2023 em comparação a Fevereiro de 2022.

Portanto com a desaceleração da produção global de chips o mercado começou a ser fortemente afetado, sendo que a muitas indústrias foram comprometidas de uma forma ou de outra. A

Figura 1. Receita das vendas dos semicondutores no mundo

Porsche Consulting realizou um estudo [3] sobre as perdas e faltas de semicondutores no mercado e constatou que esse problema tende se manter até 2026. A comparação foi baseda em tamanho de nó (node size), em geral quanto menor o tamanho do nó, resulta em um menor transistor que terá um processamento mais rápido e energeticamente eficiente. Existe atualmente uma escassez estrutural em todos os tipos de tamanhos de nós, desde os maiores como 250 nm até mesmo os 3 nm, por diversas razões de mercado e geopolítica. Em nós de tecnologia > 28 nm até 2025.

Esses nós de tecnologia são aplicados principalmente a reguladores de tensão, interruptores de energia, comunicação, drivers de LED e microprocessadores maduros. Os investimentos para aumentar a capacidade de produção são comprometidos apenas para nós < 90 nm. Consequentemente, os nós > 90 nm sofrerão potencialmente escassez de oferta ou aumento de demanda, com base no número crescente de veículos elétricos.

Existe ainda outro problema fundamental na cadeia de fornecimento de semicondutores global, a falta de transparência. Normalmente os OEMs preferem comprar grandes volumes de unidades completas diretamente de seus fabricantes de componentes. Como resultado, a maioria dos fabricantes de componentes controla a seleção e instalação de semicondutores, bem como a transparência do semicondutor na lista de materiais (bill of materials - BOM), mas essas informações não são compartilhadas com o OEM. Outro fato relevante é que a fabricação de um chip é extremamente demorada, podendo envolver até 1.000 etapas de processo, entre várias empresas e instalações, desde a fabricação do wafer até o teste do semicondutor. Neste cenário desafiador é praticamente impossível manter a visibilidade da cadeia de suprimentos em todas as organizações que estão direta ou indiretamente envolvidas no processo. Isto implica em uma grande fragilidade na cadeia de suprimentos dos semicondutores (Figura 2). A cadeia de fornecimento pode e está sendo interrompida bruscamente por diversos fatores, como desastres naturais, conflitos políticos, geopolítica e até mesmo a inflação. Devido à visibilidade limitada de hoje em toda a cadeia de suprimentos de semicondutores, os OEMs não conseguem identificar e mitigar interrupções na cadeia de suprimentos em tempo hábil. Atualmente não existem um gerenciamento proativo de riscos e os últimos anos expuseram fortemente toda a fragilidade e deficiência de muitos setores dependentes dos semicondutores, tudo isso devido a falta de transparência na cadeia de valor. Essas deficiências foram particularmente sentidas

Figura 2. Visibilidade da cadeia de valor dos semicondutores

por algumas indústrias, como a automotiva.

Esse é um fator de risco crítico e as interrupções na cadeia de suprimentos aumentaram 88% em 2021 em comparação com 2020 e resultaram em perdas econômicas significativas e déficits de produtividade de longo prazo para vários setores.

Além da falta de semicondutores a tecnologia tradicional está atingindo diversas barreiras em termos de consumo de energia, gerenciamento de calor, performance, escala e custos.. O processo convencional de se criar semicondutores está cada vez mais dificultado, seja por limitações de manufatura, ou seja, por limitações da escala subatômica. O imec, um dos maiores centros de desenvolvimento de semicondutores lançou recentemente um roadmap para semicondutores para os próximos 20 anos [4]. A indústria então identificou as cinco principais barreiras que estão desafiando a progressão do desenvolvimento de chips.

• A barreira de escala: a litografia pura está diminuindo cada vez, mas e se tornando cada vez mais difícil, pois as estruturas individuais de microchips e transistores estão se aproximando do tamanho de átomos, onde os efeitos quânticos começam a interferir no funcionamento dos microchips.

• A barreia da memória: o desempenho do sistema está confrontado com limitações no caminho de dados entre os núcleos e a memória. De fato: a largura de banda da memória não consegue acompanhar o desempenho do processador. Temos mais flops por segundo do que gigabytes por segundo.

• A barreira de energia: está se tornando mais desafiador alimentar o chip e extrair calor dele de forma eficiente, então teremos que desenvolver conceitos aprimorados de fornecimento de energia e resfriamento.

• A barreira da sustentabilidade: a fabricação de dispositivos semicondutores contribui para uma pegada ambiental crescente, incluindo gás de efeito estufa, química suja, água, recursos naturais e muito consumo de eletricidade.

• A barreira de custos: obviamente, os custos de fabricação de chips podem explodir com o aumento da complexidade, juntamente com os custos de projeto e desenvolvimento de processos.

Atualmente a maioria dos fabricantes produz microchips com transistores FinFET. A TMSC, conforme divulgamos na Parte 1 dessa coluna já está fabricando chips com tamanho de nó de 3 nm, mas abaixo desse limite físico o silício passa a sofrer diversas interferências quânticas pouco entendidas que causam grande instabilidade e interrupções de funcionamento dos microchips.

Pensando nesse desafio, a indústria de semicondutores está buscando novas formas de construção de transistores, e a próxima aposta são os transistores do tipo Gate-All-Around (GAA) que é constituído de nanofolhas por materiais além do silício, os chamados semicondutores compostos. Esta nova arquitetura será primordial a partir de tamanho de nós de 2 nm. Alguns grande fabricantes como Samsung [5], Intel [6] e TSMC [7] já anunciaram que fabricarão transistores GAA em seus nós de 3nm e/ou 2nm. O imec criou uma versão diferenciada do GAA, chamada de forksheet que promete ser mais densa que o GAA e pode estender o conceito para a geração de tamanho de nó de 1 nm.

Para reduzir ainda mais a escala e entrar em nível atômico sem as interferências quânticas, a indústria está trabalhando

Figura 3. imec Semiconductor Roadmap

em outra versão de transistor que também depende fortemente dos avanços da nanotecnologia, em especial materials 2D. O transistor Complementary FET (CFET), um sucessor vertical complexo do GAA que melhora significativamente a densidade, porém exige um aumento no custo da complexidade do processo que poderá incorporar novos materiais ultrafinos de monocamada 2D com espessura atômica, como dissulfeto de tungstênio (WS2) ou molibdênio. Este roteiro de dispositivos, combinado com o roteiro de litografia, nos levará à era dos semicondutores com transistores na casa do ångström.

A microeletrônica está avançando e muito desse avanço se deve a descoberta de novos nanomateriais e suas propriedades, como no caso do Grafeno um material condutivo 2D. O Grafeno por não ser um semicondutor natural como outros materiais 2D, como dissulfeto de tungstênio (WS2) ou molibdênio (MoS2) e mais de 2000 variantes de materiais 2D existentes. A Figura 4 apresenta um leque de oportunidades no uso de materiais 2D para aplicações em semicontudores.

Comparado a outros semicondutores compostos como GeSi, GaAs ou InP, o grafeno oferece a principal vantagem de ser compatível com o processamento e integração BEOL (Back end of line), a parte do processamento de semicondutores na qual os circuitos integrados são interconectados na superfície do wafer. Esta característica, oferece uma oportunidade única para estender a funcionalidade dos circuitos CMOS de silício com a integração de diferentes dispositivos eletrônicos, fotôni-

cos ou sensores baseados em grafeno, sem exigir comprometimento ou mudanças significativas no nível CMOS. Além disso, as etapas básicas do processo podem ser adaptadas para as necessidades específicas de outras tecnologias e aplicações. No entanto, para integrar o Grafeno no processo de semicondutores ainda apresentam problemas fundamentais de engenharia, como a reprodutibilidade, a variabilidade, o rendimento de fabricação e durabilidade dos dispositivos fabricados [8].

Tudo isso é muito empolgante, pois muitas oportunidades estão surgindo na cadeia global de suprimentos de semicondutores. Fica a questão de como o Brasil deve se posicionar quanto a esse cenário de incertezas mundial. O Brasil poderia contribuir em todas as frentes aqui apresentadas e se posicionar como um importante fornecedor de tecnologia? ou matéria-prima? ou ainda de nanomateriais? essenciais para o pleno desenvolvimento dos semicondutores. Para isto precisamos de políticas publicas alinhadas a esta realidade e que supram os recursos necessários para avançarmos e nos destacarmos. Apesar da falta grave de semicondutores o mundo continua e nós também precisamos continuar avançando.

Na próxima parte detalharemos mais como o Grafeno e outros nanomateriais poderão contribuir para o avanço dos semicondutores.

Grafeno é o futuro da sustentabilidade!

Muito obrigado pela atenção e aproveitem a nossa Revista Grafeno. Aguardem as novidades nas próximas edições.

Figura 4. Aplicações de materiais 2D em semicondutores

1. https://www.semiconductors.org/global-semiconductor-sales-decrease-4-month-to-month-in-february/

2. https://www.wsts.org/76/Recent-News-Release

3. https://www.porsche-consulting.com/en/media/insights/detail/white-paper-strategic-semiconduc tor-management/

4. https://www.imec-int.com/en/articles/20-year-roadmap-tearing-down-walls

5. https://news.samsung.com/global/samsung-begins-chip-production-using-3nm-process-technology-with-gaa-architecture

6. https://www.asml.com/en/news/stories/2022/what-is-a-gate-all-around-transistor

7. https://www.eenewseurope.com/en/tsmc-heads-below-1nm-with-2d-transistors-at-iedm/

8. Neumaier, D., Pindl, S., & Lemme, M. C. (2019). Integrating graphene into semiconductor fabrication lines. Nature Materials, 18(6), 525–529. doi:10.1038/s41563-019-0359-7

CEO da FIBER INOVA (www.leandroberti.com.br),

Leandro Antunes Berti: Doutor em Nanotecnologia e Pós-doutor em Nanobiotecnologia e Presidente da Associação Brasileira de Nanotecnologia– BrasilNano, Mentor do Nucleo de Grafeno da SAE BRASIL; Foi Idealizador e Coordenador do SUPERHUB de Nanotecnologia do Paraná, foi Coordenador-Geral de Tecnologias Convergentes e Habilitadoras (CGTC) e Coordenador-Geral de Tecnologias Estratégicas, do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovação e Comunicações do Brasil (MCTIC), responsável pela política pública nacional, estratégia, iniciativas de Nanotecnologia, Fotônica, Materiais Avançados e Manufatura Avançada. Criou o Plano de Ação Nacional de Tecnologias Convergentes e Habilitadoras, incluiu a Nanotecnologia no programa Rota 2030, escreveu o Marco Legal da Nanotecnologia e Materiais Avançados (PL 880/2019). Foi Membro da Comissão de Ciência e Tecnologia do Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia, BRICS WG Photonics National Representative, OECD (Bio-, Nano- and Converging Technologies (BNCT)) - Nanotecnology National Representative, Brazil-Canada Joint Committee for Cooperation on Science, Technology and Innovation; Diretor do Centro Brasileiro-Argentino de Nanotecnologia, Presidente do Centro Brasileiro-Chinês de Nanotecnologia. Foi Secretário Executivo do API. nano, na Fundação CERTI. Autor dos primeiros livros nacionais sobre regulação com Nanossegurança: Guia de Boas Práticas em Nanotecnologia para Indústria e Laboratórios e Nanossegurança na Prática: Diretrizes para análise de segurança de empresas, laboratórios e consumidores que usam nanotecnologia.

Leandro Berti

Inovação

Otermo inovação entrou para valer na agenda de desenvolvimento do país em 2001, marcado pela realização da 2a Conferência Nacional de Ciência, Tecnologia e Inovação. Ou seja, são mais de 20 anos de políticas públicas que buscam fazer com que as atividades de inovação sejam essenciais para uma parcela relevante das empresas situadas no país.

Perguntei então ao ZapGPT, para identificar o entendimento comum sobre o tema:

O que é inovação? Inovação pode ser definida como o processo de introduzir novas ideias, produtos, serviços, processos ou modelos de negócio com o objetivo de melhorar ou transformar uma determinada área. É um conceito muito importante para o desenvolvimento social e econômico, pois permite que as empresas e organizações se adaptem às mudanças do mercado e às necessidades dos consumidores. A inovação envolve muita criatividade e experimentação, e muitas vezes requer investimentos em pesquisa e desenvolvimento para alcançar resultados satisfatórios.

A resposta tem pontos que considero mitos.

Por exemplo, inovação não contempla a introdução de novas ideias: isto se trata de invenção. Quando a inovação envolve novos produtos/serviços, ela passa obrigatoriamente por um processo de desenvolvimento, em que criatividade é essencial na fase inicial, mas atrapalha quando se está na fase de detalhamento e testes do desempenho do produto/serviço: aqui o que importa é seguir procedimentos robustos e que permitem pouca variação do padrão.

Então, o que é inovação? Eu acredito que a melhor definição é a apresentada no Manual de Oslo da OCDE, principalmente quando se trata de fazer comparações entre países e localidades. Segue então a versão da quarta edição (2018) em inglês:

An innovation is a new or improved product or process (or combination thereof) that differs significantly from the unit’s previous products or processes and that has been made available to potential users (product) or brought into use by the unit (process).

Em uma tradução livre: inovação é um produto ou processo (ou combinação deles), novo ou melhorado, que difere significativamente dos produtos ou processos existentes da unidade, que foi disponibilizado para potenciais usuários (produto) ou colocado em uso na unidade (processo).

Aqui é preciso enfatizar que o termo “produto” é agora usado no seu sentido mais amplo, que considera bens e serviços. Na resposta do ZapGPT se considera apenas o significado de bens. E o termo “unidade” se refere ao ator responsável pela inovação, sem entrar no mérito se é uma empresa, organização sem fins econômicos, entidade governamental, uma família, uma pessoa, etc.

Para deixar mais explícito do que se trata a “inovação” da agenda de desenvolvimento de um país, ao invés de algo com significado genérico de “ser feito de forma diferente”, o Manual de Oslo introduz uma outra definição. Agora se usa o termo

“business innovation”, que vou traduzir como “inovação econômica”: é um produto ou processo de negócio (ou combinação deles), novo ou melhorado, que difere significativamente dos produtos ou processos de negócio existentes da empresa, que foi introduzido no mercado ou colocado em uso na empresa.

São pontos importantes dessa nova definição:

1) Os processos são aqueles relacionados ao negócio, à operação da pessoa jurídica, desde aspectos financeiros até os de logística, passando por gestão, comercial e manufatura, entre outros.

2) Os usuários passam a ser tratados como parte do mercado.

3) A introdução da inovação no mercado pode ser tanto de produtos quanto de processos, ou seja, está contemplado o licenciamento do uso de processos para gerar faturamento, por exemplo.

Por outro lado, é importante enfatizar que:

1) A inovação que tem resultado na geração de riqueza em um país, e possibilita a melhoria do bem-estar social da sociedade, é algo que precisa ter repercussão na sociedade, seja por meio das pessoas que compõem o mercado ou de pessoas jurídicas mais produtivas.

2) A inovação precisa representar algo concreto que possa ser utilizada pelas pessoas no dia a dia; o que exclui ideias, mesmo que estejam descritas como patentes, por exemplo.

3) O objetivo da inovação econômica está subtendido como sendo a viabilização de benefícios financeiros e econômicos para a empresa, seja por meio do aumento do faturamento gerado no mercado, ou por meio da melhoria da margem dos negócios realizados por se usar melhores processos, por exemplo.

Atenção que a questão dos ganhos financeiros pode ser questionada, e/ou usada para justificar que essa definição não é adequada para o ambiente social, assim como para instituições sem fins-lucrativos ou públicas.

Eu costumo enfatizar que toda pessoa, física ou jurídica, busca gerar uma poupança, um superávit, gastar menos do que recebe para poder investir, especialmente no longo prazo. E que isso é bem diferente de lucro, que se trata do resultado de uma operação de contabilidade utilizada por empresas, que é feita posteriormente à obtenção do superávit. Uma organização sem fins lucrativos não precisa entrar nesse mérito contábil, mas uma boa gestão busca sim um superávit; é preciso ter margem positiva para expandir a ação social para “quem quiser e precisar”, e isso significa ter processos que levem a menores custos (margem) e também promover iniciativas (produtos) que gerem mais doações (faturamento), por exemplo. Algo similar acontece em instituições públicas, como as universidades

ou institutos de pesquisa federais e estaduais, em que o superavit vem do melhor uso (margem) dos recursos públicos do orçamento, assim como de recursos extras (faturamento) provenientes de projetos em parceria (produtos) com o setor empresarial.

Um último ponto: eu gosto, para o caso de empresas, da descrição sucinta de que inovação é “mais e melhores notas fiscais”; nota fiscal denota que a empresa está operando dentro do regime formal, e que o objetivo da inovação é trazer mais faturamento e melhores margens. No caso de organizações sem fins-lucrativos e instituições públicas, é preciso buscar outro(s) indicador(es) que não seja nota fiscal, mas a descrição continua valendo se o substantivo for trocado por algo mais adequado.

Falar de inovação para um público acadêmico, entretanto, requer também falar de pesquisa. E por isso fiz uma segunda pergunta ao ZapGPT:

Pesquisa é inovação? A pesquisa é uma importante ferramenta para a inovação e está frequentemente relacionada a ela, pois é por meio dela que novos conhecimentos são gerados e novas ideias surgem. É a partir dos resultados das pesquisas que novas tecnologias, produtos, serviços e processos podem ser desenvolvidos e aprimorados, oferecendo soluções mais eficientes e eficazes para os desafios enfrentados. Portanto, a pesquisa pode ser considerada um componente essencial do processo de inovação, mas é importante lembrar que outras habilidades e recursos são necessários para colocar as ideias em prática e transformá-las em inovação real.

Esta resposta também tem pontos que considero mitos.

Assim, pesquisa certamente gera novos conhecimentos, mas novas ideias surgem da criatividade, usando qualquer conhecimento disponível. Desta forma, pesquisa é sim um componente importante do processo de inovação, mas não é essencial: é possível criar inovação sem pesquisa, apenas utilizando bom senso, como quando se introduz novos processos de negócios na operação.

Uma boa base para conversar sobre pesquisa é usar os quadrantes de Stokes. Ali se faz a distinção entre 3 tipos de pesquisa: movida a curiosidade, inspirada por uso, e movida a aplicação. A primeira, realizada com foco no avanço do conhecimento e seus fundamentos, é o que se costuma chamar de pesquisa básica científica. A segunda já é feita por alguma motivação de aplicação, definida dentro da própria academia, que pode ser (ou não) algo realmente percebido como necessário pelas empresas que praticam a inovação econômica. A última tem origem em necessidades expressas por empresas, considerando sua estratégia de competitividade e perpetuação, tipicamente em projetos em parceria. Todas elas estão centradas na busca de novos conhecimentos, e no entendimento do “por quê” dos fenômenos envolvidos.

O que normalmente falta enfatizar é que pesquisa não é desenvolvimento de produto/serviços. O foco no desenvolvimento é criar algo que atenda as necessidades do mercado e usuários; é transformar conhecimento (novo ou existente) em recursos financeiros/econômicos por meio de faturamento e/ou melhores margens. No caso de uma aeronave ou automóvel, desenvolvimento é engenheirar uma solução que tenha o desempenho requerido pelo mercado, bastando que funcione bem, sem ser necessário o entendimento profundo dos fenômenos envolvidos.

Vale reforçar que mesmo a pesquisa aplicada não é desenvolvimento; ela objetiva o entendimento de como o uso de um determinado conhecimento irá afetar o comportamento ou desempenho do produto que incorporar esse conhecimento; a sua justificativa é permitir que o tomador de decisão faça a melhor escolha do que usar no produto, principalmente no momento em que esse produto estiver sendo concebido, quando se transforma a vontade do mercado em algo concreto que atenda a essa vontade.

É também necessário enfatizar que não existe uma relação linear entre pesquisa e inovação, apesar de ser comum encontrar esse entendimento na sociedade. Falando de outra forma, o fato de uma pesquisa inspirada em uso gerar resultados interessantes, não significa que dali sairá naturalmente uma inovação; os motivos para isso podem ser muitos, inclusive que pode não existir viabilidade econômica para fazer a transformação por falta de soluções para a produção em escala.

Outro ponto é que pesquisa aplicada costuma envolver conhecimento novo apenas para a empresa, ou seja, conhecimento que já tem aplicação robusta em outras empresas ou países. Um exemplo deste último caso é quando uma empresa fornecedora de peças ou ferramentais, que utiliza essencialmente um processo de erro e tentativa no desenvolvimento, decide incorporar a capacidade de simulação no seu trabalho.

O resumo de tudo o que está escrito aqui é que a política pública de CT&I no Brasil deveria ser dividida entre uma política de C&T e outra de Inovação. As duas precisam ser complementares, mas juntar as mesmas significa na prática priorizar apenas uma delas, e o resultado tem sido que inovação tem tido pouco apoio real. Quem sabe se o movimento atual de criar políticas públicas “movidas a missão” consegue concretizar essa transformação.

Expert em inovação, intraempreendedor, pesquisador. Foram 26 anos na Embraer, 2 na Vale, e 4 no IPT, passando pela presidência da ANPEI e participação em diversos Conselhos e Comitês de órgãos de CT&I.

Hugo Resende

FERRAMENTAS DE ENGENHARIA:

Fundamentos para sustentabilidade

Uma das fortes características da indústria, principalmente a automotiva, é sua alta competividade. Primeiro entre as montadoras, onde cada uma competindo em levar os melhores produtos ao mercado, buscando consumidores que sabiamente desejem adquiri-los. Por outro lado, o consumidor (cada vez mais sábio), que além da opção de adquirir o próprio veículo, tem outras opções de meios de transporte com excelente custo / benefício, como aplicativos de caronas, viagens e aluguel de carros, além do transporte público que vem melhorando a cada dia, sendo a maioria deles baseados na otimização do uso dos veículos de transporte.

Neste contexto de alta competividade e sustentabilidade das montadoras, uma das melhores frases criadas pela GM sobre sua missão foi “desenhar, fabricar e vender os melhores carros do mundo”. Simples e de fácil entendimento para todos seus colaboradores, e que de uma maneira geral poderia representar também o desejo de todas as montadoras. Olhando da perspectiva de negócio, quando isso acontece significa mais vendas e razão para continuar existindo (sustentabilidade). Para tanto, as ferramentas a favor do desenvolvimento da engenharia exercem um papel fundamental. Qualquer que seja a ferramenta de solução de problemas (OpEx, Six Sigma, Lean Six Sigma, Design Thinking, etc) tem em comum o modelo mental que passa pelas seguintes etapas:

O que fazer e por quê?

Qual o benefício para o negócio que justifique o dispêndio de tempo e recursos para todo o projeto. Naturalmente, o benefício a ser alcançado tem que ser maior que o esforço total do projeto e compensar os riscos e tempo até implementação. Sem contar que da perspectiva do negócio, sempre haverá uma competição de onde investir recursos de maneira a garantir a sustentabilidade da empresa, e tais investimentos (o que fazer) sempre terão a sombra dos investimentos tradicionais que o mercado financeiro oferece.

No caso das possíveis rotas de utilização do grafeno na indústria automotiva, os benefícios oferecidos por esta tecnologia deverão ser superiores às tecnologias concorrentes para sua viabilização, como já ocorre em alguns casos.

Como fazer?

Um planejamento macro com lista das atividades necessárias para entregar com sucesso o prometido (o que fazer) no tempo certo para o negócio; muitos fazem uma lista detalhada das atividades nesta etapa, nada contra, porém na maioria dos casos o plano tem que ser ajustado e o detalhismo passa a ser desperdício de tempo. Encontrar o equilíbrio geralmente vem com a experiência.

Quais os critérios para julgar as alternativas ou o(s) caminho(s) mais eficiente e efetivo para entregar o prometido?

O principal objetivo desta pergunta é estabelecer um conjunto de medidas funcionais para dirigir a escolha da solução / satisfação do cliente. Vale a pena ressaltar aqui que são os critérios que definem o vencedor. Por exemplo, para as mesmas alternativas se o critério for “mais barato” o vencedor será um, porém se o critério for “melhor qualidade”, o vencedor será outro.

Definido os critérios, tira-se uma foto da situação atual (referência) e compara- se com os outros competidores para definição do vencedor. Além disto, a escolha correta dos critérios pode auxiliar na escolha correta dos competidores. Quando isto não é bem claro, corre-se o risco de estabelecer uma competição com competidores fracos e a seleção do melhor deles, ser aquém do que o mercado espera.

Para definição correta dos critérios é necessário conhecer bem todos os clientes, que podem ser desde toda cadeia produtiva até leis governamentais e meio ambiente, assim como seus níveis de satisfações.

Coletar alternativas sobre as possíveis soluções do problema, organizar e rodar a competição com os critérios corretos e escolher a alternativa vencedora.

A busca aqui pode ocorrer em duas etapas, do macro para o micro. Selecionando primeiro o sistema que irá entregar o prometido e depois otimizando-o. O objetivo principal é estabelecer com evidencias a melhor alternativa que irá entregar o resultado prometido de acordo com os critérios estabelecidos e ao mesmo tempo atendendo os outros objetivos do negócio. Para tanto o uso de ferramentas para gerar de maneira eficiente evidências para suportar a tomada de decisão é essencial.

Gosto muito desta frase “Quanto mais alternativas maior a chance de sucesso”. As fontes de alternativas podem ser variadas, as mais comuns são “benchmarking”, sessões de criatividades (design thinking, pain or brain storming, etc) ou ferramentas de solução de problemas como TRIZ.

Implementar a alternativa vencedora e monitorá-la. Baseado em toda esta jornada de aprendizados, descobrir e executar novas oportunidades (melhoria contínua).

É comum o ciclo de desenvolvimento parar após a implementação. Porém para manter viva a cultura de melhoria contínua e sustentabilidade da empresa, é muito importante analisar o desempenho do projeto relativo aos objetivos (o que fazer)

e entregas do projeto buscando principalmente ações futuras que agreguem valor para o negócio.

A empresa cuja os colaboradores usam habitualmente esta estrutura, explora-se múltiplas alternativas para solução de problemas selecionando a melhor, e todas as decisões de negócio são baseadas em evidências que são obtidas de forma rápida e eficiente, certamente é uma empresa vencedora.

Engenheiro de materiais na General Motors. Doutor em Engenharia de Materiais pela Escola Politecnica, USP. BEng em Engenharia Metalúrgica, forte conhecimento em investigação de falhas. Design para Six Sigma, Master Black Belt. Especialista em encontrar a melhor rota de fabricação de peças metálicas considerando critérios técnicos e comerciais.

Eduardo Nunes

O futuro do grafeno nos próximos 10 anos atrai investidores

Lançado relatório sobre o Mercado Global do Grafeno entre 2023 - 2033. Estudo destaca as propriedades mecânicas, eletrônicas e térmicas excepcionais do grafeno que impulsionam o crescimento.

391 companhias foram citadas. Acesse aqui mais detalhes do relatório.

N e w s g r a p h e n e

Grafeno Gerdau |avança no Japão

A Gerdau Graphene e Sumitomo fecharam uma parceria revolucionária para introduzir plásticos aditivados com grafeno no Japão

Com apenas 0,5% de grafeno, a quantidade de plástico usada é reduzida em 30% e a produtividade aumenta em 7-8% Além dos benefícios financeiros e ambientais, essa inovação proporciona uma vantagem competitiva significativa

A Gerdau Graphene não está apenas parada no plástico - a empresa também desenvolveu uma tinta aditivada com grafeno e está trabalhando em um concreto mais resistente

O grafeno, que já possui 55 diferentes aplicações globais, promete ser o futuro da inovação de materiais Saiba mais neste link

Grafeno Revoluciona Filme Stretch

Painéis Solares de Grafeno em Expansão

Em uma parceria inovadora, a Packseven e a Gerdau Graphene anunciam o lançamento do primeiro filme stretch reforçado com grafeno Essa combinação inédita resulta em um material mais fino, mas extremamente mais resistente, elevando o padrão de segurança e rendimento na indústria de embalagens Mais informaçoes aqui

A Odex amplia a distribuição de painéis solares de grafeno da ZNShine, disponibilizando-os em sua plataforma para atender integradores em todo Brasil Estes painéis de grafeno, resistentes, autolimpantes e impermeáveis, exigem pouca manutenção e garantem alta eficiência até em dias nublados Saiba mais aqui

MackGraphe passará à indústria a tecnologia para produzir grafeno.

O Instituto MackGraphe está preparando-se para transferir a tecnologia de produção de grafeno para a indústria Este projeto piloto foca em compartilhar avanços com potencial de transformar o setor automotivo e outras indústrias Saiba mais sobre como essa transferência de conhecimento pode revolucionar a produção de materiais

Inovação e Grafeno: Diálogo Essencial

Óxido de Grafeno no concreto

Revolução no Diagnóstico do Câncer

Novo episódio da série MackGraphe e MackCast foca em inovação e grafeno O debate gira em torno da transformação de ideias científicas em valor econômico, a união entre academia, governo e indústria no modelo Triple Helix, e o potencial dos tokens Explore mais aqui

A Graphenergy Construction apresenta uma revolução na indústria da construção com seu aditivo nanotecnológico de óxido de grafeno O aditivo melhora a resistência à compressão do concreto em 7-18% e o torna 3,5 vezes mais impermeável Este avanço também favorece a redução das emissões de CO2 Surpreenda-se com a inovação!

Avanço em e-têxteis

Pesquisadores do Instituto SENAI de Tecnologia Têxtil e da Moda em São Paulo desenvolveram um método altamente escalável e rápido para produzir fios têxteis revestidos com óxido de grafeno reduzido (rGO) Com a aplicação de um novo corante à base de grafeno, os fios de algodão agora integram o rGO, não apenas como um revestimento, mas como parte do tecido Além disso, este avanço promete revolucionar o setor de eletrônicos vestíveis, tornando-os mais duráveis e capazes de suportar múltiplos ciclos de lavagem Prepare-se para uma nova era dos e-têxteis vestíveis, inovadores e sustentáveis Para mais detalhes, fique de olho em nossas atualizações

Saiba mais sobre essa inovação e acesse o link

A RheaBiotech Ltda e a Magtech Brasil firmam parceria para o desenvolvimento de soluções inovadoras na área da biotecnologia Entre os projetos, destaca-se um kit diagnóstico para câncer de pulmão que emprega anticorpos ancorados em quantum dots de grafeno A iniciativa, que faz parte do Programa MCTI de Inovação em Grafeno, tem o potencial de revolucionar o diagnóstico precoce e o tratamento do câncer de pulmão

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APLICAÇÃO DE GRAFENO EM POLÍMEROS

Ananociência nasceu, cresceu e evoluiu muito nos últimos vinte anos, aumentando de importância na medida em que uma maior capacidade de manipulação e avaliação destas nanoestruturas se desenvolveu. Nos anos 90, a descoberta de nanocompósitos poliméricos pelo grupo de pesquisa da Toyota [1] abriu uma nova dimensão no campo da ciência dos materiais, em particular, através do uso de nanomateriais na preparação de compósitos poliméricos, obtendo-se de produtos com propriedades diferenciadas para novas aplicações na indústria automotiva, aeroespacial, construção civil e indústria de eletroeletrônicos.

Inicialmente, os estudos de nanocargas para polímeros ficou concentrada em nanocompósitos poliméricos com base em materiais em camadas (ou materiais 2D) de origem natural, como as argilas do tipo montmorilonita [2]. No entanto, a condutividade elétrica e térmica da argila e de minerais similares são bastante pobres [2-3]. Neste sentido, buscando superar essas deficiências, nanocargas à base de carbono, como grafite expandido, nanotubos de carbono (CNT’s) e, por último, os grafenos, foram introduzidos para a preparação de novos nanocompósitos poliméricos.

Os CNT’s provaram ser muito eficazes como cargas condutoras (de calor e eletricidade) e de reforço [4], sendo que a única desvantagem deste material é o seu alto custo de produção. E é dentro desta lacuna que o grafeno se mostrou interessante, um material bidimensional (2D), com características químicas similares ao nanotubo, podendo ser obtido a partir de um material de baixo custo como o grafite, com a espessura de um átomo, densamente embalado em uma estrutura de carbono na forma de favos de mel [5]. Considerado como o “material mais fino do universo” com potencial interessante para diferentes aplicações [6], o grafeno possui propriedades diferenciadas como: (1) alta condutividade térmica, (2) propriedades mecânicas superiores e (3) excelentes propriedades de transporte eletrônico [7-10]. Estas propriedades intrínsecas do grafeno resultaram em um enorme interesse para sua possível implementação em uma gama de diferentes produtos. As primeiras publicações e patentes apresentaram a utilização de grafenos em polímeros para produção de nanocompósitos com alta condutividade térmica [11] e elétrica [12], filmes eletricamente condutores

por Jordão Gheller Jr.

Figura 1. Imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura de dois diferentes grafenos comercialmente disponíveis no mercado, em que se observam duas morfologias bem distintas: na forma de um “papel de celofane amassado” (a) e na forma de flakes com espessura nanométrica (b)

a)

b)

de carbono ultrafinos, circuitos eletrônicos, sensores e eletrodos flexíveis para telas [13] e células solares [14].

A velocidade para a inserção de produtos inovadores e com novas funcionalidades no mercado é um diferencial competitivo para muitas empresas. O cenário encontrado hoje no contexto do uso de grafenos em polímeros é: (1) uma diversidade de grafenos, flakes de grafeno, com diferentes espessuras, comprimentos (Figura 1) e atividades superficiais (reduzido, oxidados, modificados, etc.), tanto em sua forma pura como pré-dispersos em polímeros ou óleo plastificante, (2) diferentes publicações recentes no tema trazendo novas aplicações e (3) um crescente interesse pelo mercado para introdução de novos produtos no mercado contendo grafeno.

Este estágio de desenvolvimento nos remete ao gráfico da Figura 2, em que algumas ações se mostraram necessárias para superar as barreiras do que muitos chamam de “Vale da Morte da Inovação”, em que é ainda se faz necessário investimentos (horas/pesquisador) para se “traduzir” os resultados obtidos na ciência e pesquisa aplicada para um ambiente industrial.

Uma condição importante para esta “tradução” é tornar clara a relação entre as variáveis: (1) tipo de grafeno, (2) processo produtivo e (3) propriedade desejada. Dada a diferenciada gama de grafenos possíveis de serem obtidos é necessário decidir, a partir da propriedade desejada, qual nanoestrutura será mais adequada. Para algumas aplicações como condutividade elétrica, o uso de flakes de grafeno reduzidos é importante, já para outras, como reforço, grafenos oxidados e modificados podem ser mais interessantes.

Nos últimos 05 anos uma enxurrada de informações tem aparecido em diferentes mídias sobre as aplicações dos grafenos em materiais poliméricos, porém, algumas questões devem ser consideradas sempre que formos trabalhar com materiais nanoestruturados. Deve-se ter claro qual a melhoria esperada na propriedade final

do polímero com o uso do grafeno. Redução da impermeabilidade, por exemplo, é uma propriedade que precisa ser mais bem avaliada, na qual o grafeno apresenta boas chances de apresentar um bom desempenho; já condutividade térmica, como já visto em algumas aplicações sugeridas [11], é uma propriedade em que bons resultados já foram obtidos.

Quando se avalia o uso do grafeno em escala industrial, um passo a passo lógico é o apresentado no esquema seguinte, em que se inicia com a definição da propriedade que se almeja (fase 1), da definição do polímero base e composição (fase 2), a seguir avalia-se qual o tipo de grafeno mais adequado para a aplicação (fase 3), definem-se teores e processos que sejam tecnicamente viáveis (fase 4) e então produz-se as amostras e avalia-se o desempenho do produto final (fase 5).

Propriedade desejada Definição do polímero e composição

Definição dos teores e processo

Produção de amostras e avaliação do desempenho

Seleção do tipo de grafeno

Iniciar o desenvolvimento de um novo produto a partir da fase 3 (seleção e definição do grafeno) poderá resultar em gastos de tempo e recursos indesejados. Um cuidado deve se ter em não criar

Figura 2. Evolução do fluxo de caixa (ganhos) em função de tempo para inserção de novas tecnologias no mercado

uma expectativa não atendida com o uso grafeno em polímeros, somando à questão de que, para algumas propriedades na qual o grafeno se mostra interessante, já se encontram no mercado outras soluções com desempenho similar ou melhor. Propriedades como a melhora na processabilidade dos polímeros ou a redução do coeficiente de atrito com adição de grafeno, também podem ser obtidas com produtos já bastante conhecidos no mercado.

A indústria de polímeros utiliza diferentes processos os quais possuem como ponto comum o uso de altas taxas de cisalhamento, bastante útil para a dispersão de diferentes cargas e aditivos e uma condição importante quando se fala no uso de grafenos em polímeros. Entender qual o processo que será utilizado e os impactos deste na dispersão dos grafenos e na escalabilidade industrial é algo que precisa ser bem avaliado. Diferentes publicações [15-19] apresentam o uso de processos pouco comuns em escala industrial para a esfoliação e dispersão dos flakes de grafeno, como o uso de sondas de ultrassom e misturadores de alto cisalhamento, além de modificação química prévia dos grafenos, podendo se tornar uma barreira para a sua utilização em larga escala na indústria de polímeros. Algumas empresas já trabalham com os grafenos pré-dispersos em óleos e polímeros, uma solução tecnicamente viável, mas que ainda necessita de uma maior escalabilidade e detalhamento técnico.

O uso de grafeno como carga de reforço em polímeros também tem sido muito estudado, sendo que a obtenção das propriedades esperadas somente ocorrerá com uma adequada esfoliação e dispersão das camadas de grafeno na matriz polimérica, assim como, com uma interação forte entre a superfície do grafeno e as macromoléculas do polímero, esta última, uma da maiores responsáveis pela obtenção da propriedade de reforço dos grafenos [17, 18] e que ainda precisa ter sua micromecânica melhor compreendida.

Dentro do exposto, o cenário que se visualiza é de um momento de transição, não só em termos de tecnologia, mas principalmente de um mundo para outro, em que o foco muda de adquirir e desvendar o conhecimento para focar no produto resultante, seu custo-benefício, escalabilidade, dentre outros, é o estágio em que estamos atualmente.

Atualmente, o Instituto SENAI de Inovação em Engenharia de Polímeros possui equipe e infraestrutura dedicados para o estudo de novos aditivos e sistema de reforço para polímeros, desenvolvendo novas tecnologias para uso em materiais plásticos, elastoméricos, tintas, adesivos e compósitos. O trabalho conjunto entre Academia, Instituições de Ciência e Tecnologia (ICT’s) e as Empresas, através de projetos de inovação com os da EMBRAPII, poderá dar mais agilidade, aumentando as chances para que o Vale da Morte da Inovação seja superado sem grandes sustos.

3. Garcia, N. J.; Bazan, J. C. Electrical conductivity of montmorillonite as a function of relative humidity: La-montmorillonite. Clay Miner, v.44, p.81–8, 2009

4. Gheller Jr., J.; Barros, J. R.; Jacobi, M. M. Aspects of producing hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR) nanocomposites by melt compounding processing. Plastics, Rubber and Composites, v. 46:2, p. 60-68, 2017

5. Geim, A. K.; MacDonald, A.H. Graphene: exploring carbon flatland. Phys Today; v.60(8), p.35–41, 2007

6. Si, Y.; Samulski, T. Synthesis of water soluble graphene. Nano Lett, v8, p.1679, 2008

7. Dreyer, R.D.; Park, S.; Bielawski, C. W.; Ruoff, R. S. The chemistry of graphene oxide. Chem Soc Re; v.39, p. 228–40, 2010

8. Wang, G.; Yang, J.; Park, J.; Gou, X.; Wan, B.; Liu, H., et al. Facile synthesis and characterization of graphene nanosheets. J Phys Chem C, v.112, p.8192–5, 2008

9. Wang, G.; Shen, X.; Wang, B.; Yao, J.; Park, J. Synthesis and characterization of hydrophilic and organophilic graphene nanosheets. Carbon; v.47, p.1359–64, 2009

10. Allen, M.J.; Tung, V.C.; Kaner, R.B. Honeycomb carbon: a review of graphene. Chem Rev, v.11, p.132–45, 2010

11. Li, A.; Zhang, C.; Zhang, Y-F. Thermal Conductivity of Graphene-Polymer Composites: Mechanisms, Properties, and Applications. Polymers, v.9, p.437, 2017

12. Gao, Y. Graphene and Polymer Composites for Supercapacitor Applications: a Review. Nanoscale Res Lett, v.12, p.387, 2017

13. He, P.; Cao, J.; Ding, H.; Liu, C.; Neilson, J.; Li, Z.; Kinloch, I. A.; Derby, B. Screen-Printing of a Highly Conductive Graphene Ink for Flexible Printed Electronics. ACS Appl. Mater. Interfaces, v.11-35, p.32225–32234, 2019

14. Low, F. W.; Lai, C. W. Recent developments of graphene-TiO2 composite nanomaterials as efficient photoelectrodes in dye-sensitized solar cells: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.82, Part 1, p. 103-125, 2018

15. Kuilla, T.; Bhadra, S. b; Yaoa, D.; Kimc,N. H.; Bose, S. d; Leea, J. H. Recent advances in graphene based polymer composites. Progress in Polymer Science 35 (2010) 1350–1375

16. Kim, H.; Abdala, A. A.; Macosko, C. W. Graphene / Polymer Nanocomposites. Macromolecules, v.43, p.6515–6530, 2010

17. Young, R. J.; Kinloch, I. A.; Gong, L.; Novoselov, K. S. The mechanics of graphene nanocomposites: A review. Composites Science and Technology, v. 72, p.1459–1476, 2012

18. Yang, Z.; Guo, B.; Zhang, L. Challenge of Rubber/Graphite Composites Aiming at Real Applications. Rubber, Chemistry and Technology, v.90(2), p. 225-237, 2017

Referências

1. Okada, A.; Kawasumi, M.; Usuki, A.; Kojima, Y.; Kurauchi, T.; Kamigaito, O. Synthesis and properties of nylon-6/clay hybrids. Polymer based molecular composites - MRS symposium proceedings - Pittsburgh PA; v. 171, p. 45–50, 1990.

2. Uddin, F. Clays, nanoclays, and montmorillonite minerals. Metall Mater Trans A, v.39, p. 2805–14, 2008

19. Sun, X., Huang, C.; Wang, L.; Liang, L.; Cheng, Y.; Fei, W.; Li, Y. Recent Progress in Graphene/Polymer Nanocomposites, Adv. Mater, v.33, p.2001105, 2021

Jordão Gheller Jr., Instituto SENAI de Inovação em Engenharia de Polímeros, uma Unidade EMBRAPII. jordao.gheller@senairs.org.br

EQUIPE MANGUE BAJA: LEVANDO A CULTURA PERNAMBUCANA PARA AS PISTAS

Sobre a Equipe

Desde a sua fundação em 15 de junho de 1999, a equipe Mangue Baja se estabeleceu como um projeto de extensão da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), com o objetivo de representar a cultura pernambucana e recifense por onde passa. Inspirados pelo movimento Mangue Beat, os membros da equipe buscaram homenagear ícones da cultura local através de seus protótipos. Com uma trajetória marcada por conquistas, a Mangue Baja se estabeleceu como uma das principais equipes de Baja SAE do país.

A primeira participação da equipe em competições nacionais ocorreu no ano 2000, conquistando a 37ª colocação. Desde então, a Mangue Baja tem se mantido consistentemente entre as 15 melhores equipes do Brasil. O Baja SAE BRASIL é uma competição promovida pela Society of Automotive Engineers (SAE), na qual 70 equipes de estudantes de engenharia de todo o país participam. O projeto foi criado nos Estados Unidos em 1976 e consiste em três etapas: Regional, Nacional e Mundial, com a participação exclusiva das três melhores equipes do Brasil do ano em questão.

Para essas competições as equipes constroem um protótipo Baja off-road em seu próprio laboratório, acompanhando todo o processo desde o projeto até a fabricação. Em cada etapa, as equipes enfrentam uma série de provas, incluindo provas estáticas, como Segurança e Apresentação de Projeto, e provas dinâmicas, como AV, Tração, Suspensão, Manobrabilidade, Super Prime e Enduro.

A dedicação e o trabalho árduo da equipe Mangue Baja têm sido recompensados com uma lista impressionante de conquistas. Ao longo de sua trajetória, a equipe acumulou oito títulos regionais, destacando-se como a atual campeã regional na etapa de 2022. Além disso, a Mangue Baja sagrou-se campeã nacional em duas ocasiões, nos anos de 2014 e 2017. Na etapa mundial, a equipe alcançou uma impressionante quarta colocação geral, conquistando também o primeiro lugar na categoria Sales Presentation. Recentemente, a equipe se classificou duas vezes seguidas para a Etapa Mundial, alcançando o

por Equipe Mangue Baja - UFPE

Figura 1. Levantando o Troféu do Regional 2022

top 3 nacional nas competições de 2022 e 2023 (sendo o top 3 entre as equipes 4x4 nesta última).

Além do brilhante desempenho nas competições, a equipe Mangue Baja também se destaca por ir além da construção do protótipo, expandindo seu trabalho para áreas fundamentais, como gestão financeira e de pessoas. Reconhecendo a importância desses aspectos para o sucesso do projeto, os membros da equipe dedicam-se a gerenciar eficientemente os recursos financeiros, garantindo o desenvolvimento contínuo do projeto. Além disso, a equipe promove uma atmosfera de trabalho colaborativa e inspiradora, priorizando o desenvolvimento pessoal e profissional de cada integrante. Essa abordagem holística do trabalho da equipe Mangue Baja reflete seu compromisso em alcançar a excelência em todos os aspectos do projeto.

Mais do que uma equipe de competição, a Mangue Baja também se destaca pelo impacto social que promove. Através da educação, a equipe acredita que é possível alcançar lugares inimagináveis. Participando de eventos como “UFPE no meu quintal” e o projeto “Marte”, a Mangue Baja oferece minicursos para crianças em várias cidades de Pernambuco, inspirando os jovens a explorar o campo da engenharia e despertando o interesse pela ciência

Projeto à Competição

Durante a temporada, a equipe Mangue Baja inicia sua jornada com a fase de projetos, na qual os membros se dividem em seis subsistemas-chave: Suspensão e Direção, Powertrain, Freios, Cálculo Estrutural, Carroceria e Eletrônica. Cada subsistema estabelece seus próprios projetos no início da temporada e trabalha arduamente para validá-los antes da Etapa Regional. Embora nem todos os anos envolvam a construção de um novo chassi, a equipe direciona seus esforços para a introdução de novos componentes ou o aprimoramento de versões anteriores visando um desempenho ainda melhor, utilizando softwares CAD/CAE. Alguns exemplos de projetos desenvolvidos pela equipe são as pinças de freio, caixa de redução e manga de eixo. Essa abordagem estratégica permite que a equipe evolua continuamente, garantindo a competitividade em cada temporada.

A partir dos desafios enfrentados nas competições anteriores, a equipe Mangue Baja aprimora constantemente seus projetos e busca a inovação em cada subsistema. O trabalho em equipe desempenha um papel crucial nesse processo, já que cada membro contribui com suas habilidades e conhecimentos específicos para o desenvolvimento e a validação dos projetos. O objetivo é atingir

Figura 3. Troféus conquistados no Regional 2022

Figura 4. Em Flores como parte do projeto UFPE no Meu Quintal

Figura 5. Manga de eixo e Caixa de transferência do protótipo 4x4

Figura 6. Montagem Chassi

um equilíbrio perfeito entre desempenho, segurança e confiabilidade do veículo.

A fabricação interna das peças é parte integrante do processo da equipe Mangue Baja, que busca autonomia na produção dos componentes necessários para o protótipo. Utilizando máquinas como torno e fresa disponíveis no laboratório, os membros fabricam as peças com precisão e qualidade. Essa abordagem contribui para o controle de custos e proporciona um ambiente de aprendizado para os integrantes.

À medida que a equipe Mangue Baja se aproxima da Etapa Regional, uma nova fase da temporada se inicia: a prepara ção para a competição. Nesse período, o carro é totalmente desmontado e remontado, recebendo peças mais recentes e atualizadas para garantir o melhor desempenho possí vel. Além disso, a equipe realiza uma série de testes, como mini-enduros e testes de Aceleração e Velocidade (AVs), que visam treinar os integrantes e o piloto, preparando-os para os desafios que enfrentarão na competição iminente.

Simultaneamente, outra parte da equipe se dedica a uma etapa crucial da competição: as apresentações de projeto. Nesse momento, tudo o que foi desenvolvido ao longo da temporada é transmitido para os juízes por meio de banners e slides preparados cuidadosamente pelas equipes. Essas

apresentações são uma oportunidade para demonstrar o conhecimento técnico, a inovação e a eficiência do projeto, destacando os avanços e as soluções encontradas durante o processo de desenvolvimento.

Figura 7. 1º Lugar em Apresentação de Projetos na Etapa Nacional 2023

Figura 8. Sistema de Transmissão 4x4

No ano de 2022, a equipe Mangue Baja enfrentou um desafio empolgante ao decidir construir um protótipo 4x4. Esse desafio surgiu após o anúncio da SAE de que, na Etapa Nacional de 2023, apenas protótipos 4x4 seriam elegíveis para se classificar para a Etapa Mundial de 2024. Determinada a aceitar o desafio e alcançar o sucesso, a equipe Mangue Baja se empenhou em desenvolver o novo protótipo e levá-lo para a competição.

O processo de construção do protótipo 4x4 exigiu inovação, criatividade e trabalho árduo da equipe. A equipe enfrentou desafios técnicos significativos, desde o projeto e adaptação da geometria da suspensão, com a adição do semi-eixo na dianteira, foi necessário ajustar toda a geometria da suspensão para incorporar o novo componente, até a implementação de um sistema de tração integral através de uma transferência por eixo cardan, juntamente com um diferencial autoral na dianteira. Foi necessário realizar pesquisas aprofundadas, testes intensivos e refinamentos contínuos para alcançar um desempenho ótimo no novo veículo.

Com dedicação e esforço, a equipe Mangue Baja conseguiu cumprir o objetivo estabelecido. Levaram o novo protótipo 4x4 para a competição, onde impressionaram os juízes e alcançaram um bom resultado. A equipe se classificou entre as melhores equipes 4x4, e classificou-se para a Etapa Mundial 2024.

Sobre a equipe: Desde a sua fundação em 15 de junho de 1999, a equipe Mangue Baja se estabeleceu como um projeto de extensão da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), com o objetivo de representar a cultura pernambucana e recifense por onde passa. Inspirados pelo movimento Mangue Beat, os membros da equipe buscaram homenagear ícones da cultura local através de seus protótipos. Com uma trajetória marcada por conquistas, a Mangue Baja se estabeleceu como uma das principais equipes de Baja SAE do país.

Desafio 4x4

Figura 9. Primeiro Protótipo 4x4 na Etapa Nacional 2023

O IMPACTO DA NANOTECNOLOGIA PARA OS LUBRIFICANTES AUTOMOTIVOS

Ainovação disruptiva é um acontecimento que traz facilidade e acessibilidade às empresas em que a complicação e o alto custo fazem parte do dia a dia. O conceito de transformar produtos extremamente caros em itens acessíveis, está presente em nosso cotidiano através da Nanotecnologia.

As suas diversas aplicações e o potencial de agregar valor é considerada estratégia chave para o desenvolvimento social de nações e blocos econômicos, pois não melhora apenas as propriedades dos materiais, mas também pode trazer benefícios ao ser humano e meio ambiente com desenvolvimento sustentável da água, energia, alimentos e nos proteger de guerras biológicas com bactérias e vírus desconhecidos.

O atrito entre duas superfícies deslizantes é provavelmente um dos problemas mais antigos da mecânica. Estima-se que 1/3 da energia do mundo será consumida pelo atrito, assim como a maioria dos elementos de máquina falharam devido ao excesso de

desgaste, por outro lado, a contaminação do solo e água continuaram ocorrendo pelo descarte indevido de lubrificantes usados.

Os óleos básicos são lubrificantes não formulados de base mineral, sintética ou vegetal, que não possuem características suficientes para serem eficazes perante as atuais exigências de aplicação, no entanto, para melhorar seu desempenho necessita de aditivos quem aumentem a capacidade de lubrificação e melhore as propriedades destes óleos básicos. De longe, o maior mercado para os lubrificantes está nos setores de transporte, que inclui motores e transmissões de carros, caminhões, motos, ônibus, locomotivas, aeronaves e navios.

Visto que as nanopartículas têm alta relação superfície-volume, e resultam em propriedades distintas comparadas aos materiais volumosos (bulk). Estudos com nanopartículas têm apresentado grande potencial no campo da tribologia, mas o desenvolvimento de nanoditivos é relativamente recente (Figura 1).

por Marcos B Garcia e José R. Zalli Neto

Figura 1. Evolução dos aditivos para óleos lubrificantes (OPIA, 2021)

A perdas por atrito em motores de combustão interna variam entre 17% e 19% da potência total. O desempenho de motores em termos de perda da potência por atrito, consumo de combustível e de óleo, e as emissões nocivas de escape estão intimamente relacionadas com a força de atrito e o desgaste entre os componentes móveis do motor como o conjunto de pistão, trem de válvulas e mancais de rolamentos.

Na busca para desvendar este fenômeno, as pesquisas nas áreas de nanotribologia e nanolubrificação visam melhorar as condições da superfície, reduzir as perdas de potência por atrito, aumentar a eficiência do motor, reduzir o consumo de combustível e o custo de manutenção. Este artigo apresentará o efeito de nanopartículas como aditivo no comportamento tribológico do óleo lubrificante (Figura 2).

Alguns mecanismos ilustrados pela Figura 3, nos quais as nanopartículas dispersas em lubrificante resultam em menor atrito e desgaste citados na literatura são os seguintes: (i) presença de nanopartículas esféricas na superfície de contato; (ii) formação de uma película de lubrificante sólida a partir de nanopartículas submetidas à pressão de contato; (iii) redução do cisalhamento das asperezas através do depósito de nanopartículas nos vales da superfície de contato; (iv) a degradação do filme de transferência metálico com a redução da deformação e outros mecanismos associados (MOSLEH, 2013).

O objetivo deste artigo é apresentar os avanços nano tecnológicos para aditivos e lubrificantes, e, consequentemente, desenvolver uma compreensão sobre o comportamento tribológico de nanolubrificantes para motor de combustão interna.

A figura 4 mostra o comportamento do coeficiente de atrito e desgaste de um lubrificante diesel com 2,6% de fuligem, ao longo de ensaio tribológico com geometria pino sobre disco. Nota-se no gráfico que os valores de atrito diminuem após um pico inicial por alguns minutos do período de deslizamento, ou seja, condição de desgaste transitório (running-in), e se estabilizam após 15 horas de ensaio tribológico para ambos.

As melhorias acima não podem ser deduzidas apenas pela concentração das partículas de fuligem, mas também por outros fatores como morfologia, química da superfície e reatividade das espécies particuladas de fuligem.

Para aplicação tribológica, a morfologia das nanopartículas desempenha um efeito muito importante. Basicamente, existem cinco tipos diferentes de forma das nanopartículas, ou seja, esférica, onion (tipo cebola), granular, tubular e em lâmina. As nanopartículas à base de carbono são uma classe que incluem o diamante, nanotubos de carbono e o grafeno. Existem algumas nanopartículas híbridas que são uma outra classe de aditivos para óleo lubri-

Figura 2. Formulação de nanolubrificantes

Figura 3. Mecanismos de desgaste oriundos dos nanolubrificantes

ficante que são Cu/SiO2, Al2O3/SiO2, Cu/óxido de grafeno, Al2O3/ TiO2, etc. (SRIVYAS, 2018).

Experiências recentes mostraram que o nano-onion de carbono têm melhor propriedade tribológica do que o grafite. Os resultados com diferentes tipos de fuligem, o nano-onion de carbono com uma estrutura de casca de grafite bem ordenada apresentou menor taxa de desgaste comparado a fuligem oriundas de motor Otto.

Por outro lado, aditivos ativos como os sais metálicos que interagem quimicamente com a superfície dos materiais do par tribológico, formam um filme protetor conhecido como tribofilme. Segundo estudo de GARCIA (2014), a Figura 5 apresenta análise da superfície de desgaste da esfera ensaiada com ZDDP sob baixa carga (147 N), na qual se observou uma superfície com aspecto alveolar e cavidades da ordem de 1 µm, isenta de deformação ou risco de abrasão.

Aparentemente os alvéolos foram formados por um processo de corrosão, pois considerando que os carbonetos de cromo presentes no aço DIN 52100 (esferas) também apresentaram tamanhos

da ordem de 1 µm, infere-se que ocorreu um ataque químico na interface entre os carbonetos e a martensita da matriz, resultando em remoção das partículas da superfície e formação das cavidades.

A revista Tribology & Lubrication Technology (janeiro 2022) intitulou o artigo com uma questão desafiadora, “Será que o ZDDP, nunca será substituído?” Apesar de ser um dos principais aditivos de extrema pressão e antioxidante, também é reconhecido pela emissão de elementos tóxicos como o fósforo e enxofre.

Devido a massiva eletrificação dos veículos, o mercado de lubrificantes e os fornecedores do aditivo ZDDP veem pouco incentivo para pesados investimentos em P&D e mudanças nas instalações fabris para tentar substituí-lo, a menos que haja mais demanda ou exigências para a redução dos níveis de S, P e Zn nos lubrificantes.

A decomposição do tribofilme formado pelo ZDDP provavelmente seja devido a uma diferença de potencial eletroquímico entre o tribofilme e o material da superfície de contato, ocorrendo uma corrosão na interface e dando origem a um entalhe, seguido por delaminação de fragmentos do tribofilme que contribuem para a elevação da rugosidade e consequentemente nos aumentos do desgaste, consumo de energia/combustível e emissão de poluentes, bem como na degradação de filtros e catalizadores.

Perante a isso, as propriedades distintas dos nanoaditivos se mostram uma alternativa para a melhoria no desempenho de lubrificantes, principalmente no que tange a economia de combustível, redução da emissão de poluentes e extensão do intervalo de troca.

Os nanolubrificantes apresentaram uma redução considerável nas perdas térmicas e por atrito do motor. No entanto, algumas dificuldades foram identificadas em relação ao processamento dos nanolubrificantes, como a estabilidade na dispersão de nanopartículas e a falta de experimentos em motores.

Os critérios de seleção de nanopartículas a serem utilizadas como aditivos lubrificantes para aplicação em motores de combustão interna é considerado um processo complexo. A metodologia de seleção inclui análises tribológicas e reológicas, estabilidade térmica, estabilidade de dispersão, bem como desempenho do motor.

Figura 4. Morfologia da fuligem de diesel (ANTUSCH, 2010)

a) b)

Figura 5. Imagens de elétrons secundários (MEV) da região de desgaste da esfera após ensaio Four Ball com aditivo ZDDP

Buscando entender as dores da cadeia de valor de aditivos e lubrificantes, entrevistas foram conduzidas com profissionais durante o 22º Programa PIPE Empreendedor (Fapesp) no período de setembro a novembro de 2022, com a participação de especialistas de 43 empresas deste segmento (Figura 6).

A maioria das empresas entrevistadas foram multinacionais com uma taxa de conversão de 20%, ou seja, 8 entrevistas sendo a mesma quantidade para Consultores/ Pesquisadores que atingiu um índice de 42%. Demos preferência para as áreas que participam diretamente do processo de desenvolvimento de produtos (PDP) e que tenham acesso ao FMEA (failure modes and effect analysis) ou outros métodos de confiabilidade e robustez de projetos.

As necessidades e dores (falhas) indicadas espontaneamente pelos entrevistados destacam a preocupação com o meio ambiente e o ser humano principalmente no que tange a intoxicação de operadores e contaminação das águas e solos, por isso 1/3 deles sugere lubrificantes que sejam biodegradáveis.

Neste sentido, aparece também a economia de energia que contribuirá com a redução de poluentes (GEE). Por outro lado, os demais indicadores mostram a preocupação com a durabilidade de equipamentos e intervalos de trocas de lubrificantes, assim como a disponibilidade de equipamentos e custos operacionais e de manutenção, além de preços competitivos.

Uma divergência tecnológica indica as duas principais causas para as dores indicadas acima, o índice de oxidação (biodegra-

dabilidade) e o coeficiente de atrito (conservação de energia).

O projeto de pesquisa intitulado “Desenvolvimento de aditivos utilizando nanopartículas hibridas para lubrificantes biodegradáveis de alta performance” é o desafio para entender a viabilidade tribológica de alguns óleos básicos com a incorporação de diferentes nanopartículas como aditivo lubrificante.

Figura 6. As dores indicadas pela cadeia de aditivos e lubrificantes

Figura 7. Representação dos parâmetros do equipamento Four Ball

Um planejamento de experimentos (DoE) foi realizado com 2 fatores, sendo 3 níveis de óleos básicos (vegetal, sintético e mineral) e 6 níveis de nanoaditivos (sem nanopartículas, SN; simples, NS e híbridos, NH). Após a formulação os experimentos seguiram para avaliação do comportamento dos nanoaditivos através de ensaios tribológicos em equipamento Four Ball (ASTM D4172) ilustrado pela Figura 7, no qual se obteve os valores de coeficiente de atrito e índice de oxidação.

Os resultados estatísticos dos ensaios tribológicos Four Ball através de análises de variância (ANOVA) para os valores de coeficiente de atrito e índice de oxidação são apresentados nos gráficos da Figura 8(a,b).

Os resultados acima indicam que os principais efeitos relativos ao índice de oxidação foram atribuídos aos óleos básicos sintético e mineral (65%), e para o coeficiente de atrito aos nanoaditivos híbridos (23%).

Enquanto os biolubrificantes ainda são um desafio tecnológico, principalmente aqueles de base vegetal constituídos por ácidos graxos insaturados, que devido a grupos funcionais oxidantes, possuem baixa estabilidade térmica e à oxidação, que os tornam inadequados para uso em alguns sistemas lubrificados.

Algumas modificações através de processos químicos, como a transesterificação, epoxidação e hidrogenação, podem reduzir o teor

de ácidos graxos insaturados nos óleos vegetais e com o uso da nanotecnologia torná-los mais adequados para aplicações automotivas, bem como para a economia circular e meio ambiente (Figura 9).

Um estudo comparativo entre lubrificantes convencional e biodegradável foi realizado por GULZAR (2017) usando um motor diesel monocilíndrico. As amostras de lubrificantes do cárter do motor foram coletadas e realizadas análises das propriedades físico-químicas e tribológicas de ambos lubrificantes usados.

Os resultados mostraram uma redução de atrito e desgaste utilizando lubrificante à base de éster de palma com a adição de diferentes concentrações de nanopartículas.

A melhoria mais significativa no desempenho do lubrificante de éster de palma foi demonstrada com um teor de 0,75% em peso de nanopartículas de silicato de titânio, ou seja, uma redução de 68% no coeficiente de atrito enquanto o volume de desgaste foi reduzido à metade para amostra de anel de pistão e camisa de cilindro.

O nanolubrificante de base vegetal apresentou relativa degradação durante o período de testes de motor, com uma redução de 17% na viscosidade e um aumento de 30% na acidez e 17% na oxidação em comparação ao lubrificante convencional de motor. No entanto, a potência de atrito e os teores de metais de desgaste foram similares para ambas as condições.

O projeto “Desenvolvimento de aditivos utilizando nanopartículas hibridas para lubrificantes biodegradáveis de alta performance” apoiado pela Fapesp, processo nº2019/23077-5 segue com a adequação dos blends de nanopartículas e validação dos nanoaditivos para aplicações automotiva, industrial e óleo isolante para transformador de energia.

Marcos B Garcia, Dr. Nanociências & Materiais Avançados; Pesquisador Resp. projeto Fapesp; CEO da NANOSTAR the.nanostar@gmail.com

Figura 8. Gráficos de efeitos principais com valores comparativos de valores de atrito (a) e oxidação (b) para os diferentes óleos básicos e nanoaditivos

Figura 9. Ciclo de vida de lubrificantes biodegradáveis

AVANÇO NA PESQUISA DE MATERIAIS AVANÇADOS

Oavanço na pesquisa de materiais avançados desempenha um papel de alta relevância na indústria da mobilidade, impulsionando a inovação, a eficiência e a sustentabilidade em vários setores, como automotivo, aeroespacial, ferroviário, aquaviário e na mobilidade humana em geral. Esses materiais oferecem vantagens significativas em relação aos materiais tradicionais, permitindo o desenvolvimento de veículos de alto desempenho, estruturas leves e soluções aprimoradas de armazenamento de energia.

Há alguns pontos chave que destacam a importância de materiais avançados na indústria da mobilidade, como o baixo peso e a eficiência de combustível. Materiais como compostos de fibra de carbono, ligas de alumínio e aço de alta resistência são mais leves do que materiais convencionais como o aço e sua utilização na fabricação de veículos resulta em uma maior eficiência de combustível, emissões reduzidas e maior autonomia da bateria em veículos elétricos. Componentes mais leves também contribuem para um melhor manuseio e melhor desempenho geral.

Outro ponto relevante para o avanço tecnológico em materiais é a sua resistência e segurança. Materiais avançados exibem proporções excepcionais de resistência em relação ao peso e melhor resistência ao choque, garantindo a segurança dos passageiros e operadores dos veículos. Por exemplo, compósitos reforçados com fibra de carbono geralmente oferecem integridade estrutural superior e resistência ao impacto em comparação com materiais tradicionais. Ao incorporar esses materiais em projetos de veículos, os fabricantes podem melhorar a proteção dos ocupantes e atender aos rigorosos regulamentos de segurança.

Na eletrificação e no armazenamento de energia, a transição de veículos a combustão para veículos elétricos exige soluções eficientes de armazenamento de energia. A pesquisa intensiva de materiais para essa finalidade permitirá o desenvolvimento de baterias de alto desempenho, como baterias de íons de lítio e de estado sólido, com maior densidade de energia e vida útil, tempos de carregamento mais rápidos e melhor desempenho geral da bateria. Além disso, materiais avançados auxiliam no desenvolvimento de supercapacitores leves e tecnologias de armazenamento

de hidrogênio, apoiando o crescimento de fontes alternativas de energia e mobilidade limpas.

Os materiais avançados contribuem também para o desenvolvimento de veículos com design aerodinâmico ou hidrodinâmico mais eficientes, reduzindo o arrasto e, consequentemente o consumo de energia para o movimento. Materiais como compósitos de fibra de carbono podem ser moldados em formas complexas que otimizam o fluxo de ar, reduzindo o consumo de energia e aumentando o alcance dos veículos elétricos. Além disso, revestimentos avançados e tratamentos de superfície reduzem o atrito e aumentam a eficiência dos motores, transmissões e outros componentes do veículo.

A durabilidade e a manutenção podem tomar crédito do avanço tecnológico dos materiais, com aumento da resistência à corrosão e vida útil mais longa em comparação com os materiais tradicionais. Materiais como titânio, cerâmica e polímeros avançados são cada vez mais utilizados em componentes críticos como motores, freios e sistemas de exaustão, reduzindo as necessidades de manutenção e aumentando a longevidade dos veículos. Isso contribui para reduzir os custos do ciclo de vida e melhorar a sustentabilidade. Os navios, por sua vez, são expostos a ambientes marinhos hostis e altamente suscetíveis à corrosão e deterioração das estruturas. Materiais avançados, como aço inoxidável, compostos reforçados com fibras e revestimentos, são empregados para proteger contra a corrosão e prolongar a vida útil dos navios. Eles reduzem as necessidades de manutenção, aumentam a confiabilidade operacional e garantem a segurança da embarcação e da tripulação.

Os materiais avançados também suportam práticas de manufatura sustentáveis, como no caso de materiais leves, que reduzem o consumo de energia durante a produção, minimizam o desperdício de material e reduzem as emissões durante a operação do veículo. Geralmente incorporam conteúdo reciclado ou de base biológica, reduzindo ainda mais o impacto ambiental da indústria da mobilidade.

Outros fatores podem ser considerados resultados do avanço da pesquisa em materiais avançados:

por Andre Gasparotti

O aumento da resistência térmica e uma melhor e mais eficaz dissipação de calor, fator crucial na longevidade de motores de aeronaves e voos de alta velocidade, por exemplo;

A redução do ruído das aeronaves, pelo uso de materiais com propriedades acústicas superiores, como painéis compostos com camadas de amortecimento de som, que ajudam a absorver e reduzir o ruído gerado por motores, fluxo de ar e outras fontes. Esse melhor desempenho em ruído contribui para o conforto dos passageiros e abordam as preocupações ambientais relacionadas à poluição sonora das aeronaves no entorno de comunidades próximas a aeroportos.

Nos carros, caminhões e ônibus, a escolha de materiais, como espuma e polímeros de alto desempenho, são projetados para ajudar a absorver e dissipar as vibrações geradas entre o pneu e a superfície da estrada, minimizando o ruído percebido pelos ocupantes do veículo e pelas pessoas no exterior do veículo.

Nos trens, além de algumas vantagens citadas anteriormente, as ferrovias também se beneficiam dos materiais avançados com menores níveis de vibração nos vagões.

No que diz respeito à mobilidade individual humana, os dispositivos de mobilidade pessoal se beneficiam significativamente dos materiais avançados, com os patinetes elétricos, as bicicletas e cadeiras de rodas, com materiais cada vez mais leves, tecnologias de baterias aprimoradas e designs aerodinâmicos que contribuem para aumentar o alcance, a eficiência e o conforto do usuário nesses dispositivos. Além disso materiais avançados permitem o desenvolvimento de soluções de mobilidade compactas, dobráveis e portáteis que podem ser facilmente transportadas e utilizadas em vários ambientes.

Outro aspecto relevante da mobilidade humana é a conectividade, onde os materiais avançados viabilizam a integração perfeita de tecnologias e conectividade na mobilidade humana. Como exemplo, materiais condutores flexíveis e transparentes são usados em telas sensíveis ao toque, janelas inteligentes e sensores, aprimorando a experiência do usuário e permitindo recursos avançados em veículos. A integração de materiais avançados com sensores, comunicação sem fio e sistemas de dados permite monitoramento em tempo real, comunicação entre veículos e outras soluções inteligentes de mobilidade.

Portanto, os materiais avançados são essenciais na indústria da mobilidade, impulsionam avanços em leveza, no armazenamento de energia, na segurança, na aerodinâmica e na sustentabilidade. A sua utilização permite o desenvolvimento de veículos eficientes e de alto desempenho e apoia a transição em curso para um ecossistema de mobilidade mais sustentável e amigo do ambiente. E a SAE Brasil, a Casa do Conhecimento da Mobilidade Brasileira, traz sua contribuição para a sociedade brasileira por meio de centenas de voluntários que consolidam conhecimento e promovem a sua disseminação pelas mentorias de tecnologia e inovação e pelas seções regionais ao longo de todo ano.

Andre Gasparotti, PMP – Head of R&D Programs & R&D Strategy @EMBRAER, Chairman of the Management Board @SAE BRASIL, Member of the Management Board @ANPEI

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DESENVOLVIMENTO DE MATERIAL DE REFERÊNCIA DE ÓXIDO DE GRAFENO PARA CERTIFICAÇÃO DE PRODUTOS INDUSTRIAIS

por Jessica Luzardo e Joyce Araujo (INMETRO)

Ao longo dos séculos, os avanços científicos e tecnológicos ocorreram de forma contínua, e irreversível, sempre acompanhando as necessidades da indústria e da sociedade. Consequentemente, ocorreu um aperfeiçoamento dos equipamentos de investigação científica, além da mudança na concepção sobre o que é matéria e sua manipulação. Todo esse contexto impulsionou o desenvolvimento de uma nova área de pesquisa, que possibilitou o manuseio de átomos e/ou moléculas individuais

em escala nanométrica. Esse conhecimento é relativamente novo e tem ganhado consistência nos últimos anos com o crescimento da nanociência e da nanotecnologia, que gerou uma revolução tecnológica e industrial marcante, destacada pela possibilidade de criação de novos materiais que podem impactar praticamente todos os setores da indústria.

Dentre os materiais que tem esse potencial para revolucionar a indústria está o óxido de grafeno. O óxido de grafeno é um na-

Figura 1. Metodologia de síntese de óxido de grafeno

nomaterial estratégico baseado em carbono, com grande potencial em diversos setores industriais que impulsionam a tecnologia de ponta. Ele traz consigo a promessa de agregar novas características e inovação aos produtos existentes, abrindo caminho para avanços significativos em setores industriais como o automotivo, tintas, filtros, embalagens, catalisadores, dispositivos eletrônicos, materiais biomédicos, construção civil e muitos outros.

O óxido de grafeno tem a capacidade de gerar novas funcionalidades e alterar propriedades dos materiais com os quais é combinado. Por exemplo, ao ser incorporado em tintas, pode melhorar a viscosidade e a aderência, resultando em revestimentos mais duráveis e resistentes. Nos filtros, pode aumentar a eficiência de filtração e a capacidade de remoção de poluentes. Na área de dispositivos eletrônicos, contribui para a melhoria da condutividade elétrica e a miniaturização dos componentes. Na área de materiais biomédicos, por exemplo, pode ser usado em nanocarregadores de medicamentos, sensores de diagnóstico e implantes biocompatíveis.

Em resumo, o óxido de grafeno representa uma nova fronteira de possibilidades para a indústria, no entanto, sua aplicação em larga escala depende do estabelecimento de uma cadeia produtiva baseada em ciência. Dessa forma, para que seu potencial seja amplamente explorado pela indústria é necessário que existam metodologias de caracterização bem estabelecidas e validadas por critérios encontrados em normas, atendendo a especificações de segurança e controle de qualidade que assegurem o fornecimento de produtos contendo características uniformes. Além disso é crucial que sejam estabelecidas fontes confiáveis de obtenção do material. Estes são pontos chave para o desenvolvimento e a fabricação de produtos a partir de óxido de grafeno, ou seja, o estabelecimento de uma cadeia de rastreabilidade que seja capaz de estabelecer um patamar de credibilidade no fornecimento do material, tecnologias afins e produtos baseados em sua aplicação. Nesse contexto, o desenvolvimento de materiais de referência desempenha um papel crucial, pois permite a avaliação comparativa e a validação de técnicas de medição, garantindo a precisão dos resultados obtidos.

Desenvolvimento de Material de Refrência

O material de referência de óxido de grafeno é um material com características conhecidas e bem definidas, que serve como ponto de referência para análises e medições em laboratórios. Para desenvolver um material de referência de óxido de grafeno, é necessário seguir um processo minucioso que envolve etapas como seleção de matérias-primas, rigoroso controle de preparação do material, caracterização e certificação.

A seleção adequada das matérias-primas é um passo crucial para o desenvolvimento de um material de qualidade, o grafite precursor precisa ter alta qualidade e pureza, garantindo a obtenção de resultados confiáveis. As condições ambientais, as vidrarias, ferramentas e equipamentos utilizados devem ter um monitoramento adequado para garantir a qualidade do produto final. Além disso, o processo de preparação do óxido de grafeno possui diversas etapas, passando pela formação da pasta de grafite, a reação de oxidação, filtração para retirada do grafite não oxidado, purificação, neutralização e liofilização até sua total secagem. Dessa forma, é necessário que todas estas etapas sejam realizadas de maneira padronizada, controlada e reprodutível, de modo a obter um material homogêneo e representativo.

A caracterização completa do material de referência é essencial para estabelecer suas propriedades físicas, químicas e estruturais. Métodos analíticos como microscopia eletrônica de transmissão, microscopia de força atômica, espectroscopia Raman, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, difração de raios X, termogravimetria e análise BET são utilizados para determinar a morfologia, a estrutura cristalina, a composição química, estabilidade térmica e a área superficial do óxido de grafeno.

Uma vez desenvolvido e caracterizado o material de referência de óxido de grafeno, o próximo passo é sua certificação. Instituições reconhecidas e certificadas podem ser convidadas para realizar ensaios e avaliações comparativas utilizando o material de referência, verificando a acurácia dos métodos de medição empregados. A certificação propor-

Figura 2. À esquerda, Joyce Araujo, chefe do laboratório de fenômenos de superfície e filmes finos (Lafes) do Inmetro, coordenadora do Fórum Grafeno e do projeto para produção do material de referência de óxido de grafeno e à direita, a equipe envolvida no projeto de síntese do candidato à MRC: Dra. Tamires Machado, MSc. Bruna Chaves, MSc. Jéssica Luzardo e BSc. Karoline Martins. Ainda participam do projeto os pesquisadores Dr. Oleksii Kuznetsov, chefe da Divisão de Metrologia de Materiais (Dimat) do Inmetro e a pesquisadora Dra. Sandra Landi, chefe do Laboratório de Propriedades Térmicas e Materiais Particulados (Lates)

ciona confiabilidade e rastreabilidade aos resultados obtidos, garantindo que os produtos industriais atendam aos requisitos estabelecidos.

No Brasil ainda não existem materiais de referência de óxido de grafeno disponíveis, ademais, além do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO), poucas instituições são acreditadas como produtores de materiais de referência. A maioria dos materiais de referência são adquiridos no exterior, portanto se faz necessário a produção nacional para diminuição dos custos com o controle de qualidade de produtos de nanotecnologia, além de atender de forma adequada as demandas do mercado brasileiro. Nesse contexto, o INMETRO entra como um agente crucial para atender as demandas da indústria já que possui a infraestrutura da qualidade necessária além da expertise e experiencia dos pesquisadores da instituição. Um candidato a material de referência de óxido de grafeno tem sido desenvolvido e todos os estudos sobre produção e certificação do material estão sendo realizados. Dessa forma, o INMETRO busca a atender essa demanda, por meio da produção de material de referência de óxido de grafeno, como também futuramente, produzirá outros materiais de referência de grafeno, óxido de grafeno reduzido e outros materiais avançados.

Em resumo, o óxido de grafeno representa uma nova fronteira de possibilidades para a indústria, permitindo a criação de produtos mais avançados e eficientes. Sua capacidade de modificar propriedades e adicionar funcionalidades

inovadoras o torna um material de destaque, impulsionando a pesquisa e o desenvolvimento em diversos campos. À medida que a tecnologia avança, podemos esperar que o óxido de grafeno continue a desempenhar um papel crucial na criação de soluções industriais de ponta.

Portanto, a existência de um material de referência de óxido de grafeno é de extrema importância para a indústria e a certificação de produtos baseados em óxido de grafeno trazendo benefícios significativos, como a garantia de conformidade com os requisitos estabelecidos, a padronização da produção e a promoção da interoperabilidade, facilitando a sua integração em diferentes aplicações, contribuindo para o avanço e a adoção massificada do grafeno em diferentes setores industriais.

Além disso, o desenvolvimento de materiais de referência e a melhoria dos métodos de medição de suas propriedades fomentam a inovação baseada em metrologia, fornecendo o padrão de qualidade necessário para impulsionar o futuro das tecnologias baseadas em óxido de grafeno e estimular o crescimento sustentável de vários setores industriais que se beneficiarão desta tecnologia.

Jéssica Luzardo, Pesquisadora Colaboradora no INMETRO; Joyce Araújo, Chefe do Laboratório de Fenômenos de Superfície e Filmes Finos (Lafes); Diretoria de Metrologia Científica e Tecnológica (Dimci); Divisão de Metrologia de Materiais (Dimat) INMETRO

Figura 3. Candidato a material de referência de Óxido de Grafeno produzido no INMETRO

RESÍDUOS DE PNEUS COMO FONTE DE NANOPARTÍCULAS DE CARBONO

Agestão de resíduo de pneus é um sério problema ambiental. O descarte inadequado de pneus em lixões e aterros sanitários podem resultar na contaminação de lençóis freáticos e cursos d’água. Métodos de degradação térmica são técnicas promissoras para processar resíduos pneus, produzindo materiais industrialmente aplicáveis. A degradação térmica baseia-se na quebra de grandes estruturas moleculares, gerando moléculas menores e mais simples através da ação do calor. Pirólise é um método de conversão térmica que realiza a decomposição do material sob atmosfera inerte. O processo de pirólise é representado pelo craqueamento térmico molecular que ocorre em elevadas temperaturas (geralmente > 500 °C).

A decomposição térmica de resíduos de pneus por pirólise produz materiais com alto teor de energia e que podem ser usados como combustível, fonte para geração de eletricidade e precursor para síntese uma variedade de produtos químicos.

O processo de pirólise resulta em produtos sólidos, líquidos e gasosos. A fase gasosa é composta principalmente de hidrocarbonetos leves, recuperados por meio de condensação parcial, e gases não-condensáveis a condições ambiente (principalmente N2, H2, CO e CO2). O produto líquido obtido pela pirólise de pneus, denominado óleo pirolítico de pneu, é uma mistura orgânica complexa com alto conteúdo de energia. A fase sólida obtida é constituída principalmente de carvão, composto basicamente por carbono, que pode ser usado como adsorvente de metais pesados, corantes, pesticidas e outros contaminantes.

Os pneus utilizam grandes quantidades de produtos sólidos, como o carvão e alguns compostos inorgânicos em sua fabricação. Carvão é um material amorfo usado como carga de reforço e pigmento na produção de pneus. Então, o carvão obtido por pirólise de pneus pode retornar ao processo original, contribuindo para o sistema de economia cíclica. A partir do carvão de pirólise de pneus, é possível obter importantes nanomateriais à base de carbono, como carvão ativado, fulerenos, nanotubos de carbono, nanopartículas de carbono, óxido de grafeno, grafite, entre outros. Os nanomateriais à base de carbono obtidos da pirólise do pneu podem ser aplicados em

diversos processos, principalmente na produção de adsorventes, membranas de alto fluxo, filtros, nanocompósitos, agentes antimicrobianos, sensores, bem como em tecnologias avançadas de energia renovável e em estratégias de prevenção da poluição.

Uma aplicação desafiadora para o carvão de pirólise é a produção de quantum dots de carbono e grafeno, materiais em destaque entre as nanoestruturas de carbono. Quantum dots são nanopartículas de carbono geralmente com 2-10 nm de dimensão, que exibem efeitos de confinamento quântico e apresentam propriedades ópticas, fluorescentes e eletrônicas diretamente relacionadas ao tamanho da partícula. Quantum dots tem aplicações em displays e iluminação, dispositivos fotovoltaicos, catalisadores e marcadores biológico. O interesse por quantum dots se deve, sobretudo, à possibilidade de obter propriedades funcionais e estruturadas que não estão disponíveis em moléculas discretas e materiais convencionais. O grafeno e seus materiais derivados tem sido sintetizados por carbonização de matérias-primas orgânicas. No entanto, os métodos de síntese envolvem normalmente etapas adicionais que empregam elevadas temperaturas, matérias-primas de alto custo e reação demasiadamente lentas. Por esse motivo, técnicas de extração foram recentemente propostas para obter quantum dots a partir de resíduos e materiais naturais.

Parra et colaboradores (2020) descrevem um processo físico-químico para sintetizar nanopartículas de carbono a partir do carvão obtido por pirólise de pneus. No processo, ilustrado na Figura 1, o carvão sólido granulado foi submetido ao tratamento ácido para produzir partículas em suspensão. O pH da suspensão foi ajustado para precipitar impurezas remanescentes. A fase sobrenadante foi ultracentrifugada e o sólido, de coloração amarelo-pálido, foi caracterizado por serie de técnicas analíticas: espectrofotometria ultravioleta-visível (UV-Vis), fotoluminescência, microscopia de transmissão eletrônica de alta resolução (HRTEM), microscopia eletrônica de varredura (SEM), análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia de energia dispersiva de raio X (EDX), microscopia infravermelho (FT-IR) e espectroscopia fotoeletrônica de raio X (XPS).

por Ronaldo Gonçalves dos Santos

O material apresentou emissão típica dependente do comprimento de onda e rendimento quântico de cerca de 20%. O material apresentou forma esférica bem definida, bem como formato similares a quantum dots de grafeno de forma indefinida, com aplicações potenciais em dispositivos optoeletrônicos e de imagens de fluorescência.

A pirólise tem sido uma alternativa para o descarte inadequado de pneus inservíveis, produzindo material de alto valor agregado e importância comercial. Os materiais nanopartícu-

lados obtidos mostraram solubilidade em água e apresentaram um comportamento de emissão dependente do comprimento de onda e alto rendimento quântico, representando uma classe de materiais com potencial aplicação em imagens de fluorescência e dispositivos optoeletrônicos.

Figura 1. Processo de obtenção de nanopartículas de carbono a partir de resíduos de pneus - destaque para a importância de todas as etapas do processo independentemente da origem [J. Braz. Chem. Soc., 31 (11), 2020].

Ronaldo Gonçalves dos Santos, Professor no Departamento de Engenharia Química do Centro Universitário FEI

COMPOSTOS DE GRAFENO: UMA ANÁLISE INICIAL DOS IMPACTOS NA SAÚDE E NO MEIO AMBIENTE

1. Introdução

Ografeno, um nanomaterial bidimensional composto por uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal, foi descoberto por Geim e Novoselov em 2004. Desde então, tem atraído atenção global devido às suas propriedades excepcionais, incluindo alta condutividade elétrica e térmica, leveza, flexibilidade e resistência mecânica. Essas características únicas abriram um amplo espectro de aplicações potenciais em diversos setores, como eletrônicos, sensores, compósitos e materiais de construção, posicionando o grafeno como um dos principais protagonistas na área de nanotecnologia.

A nanotecnologia, definida como o estudo e manipulação de materiais em escala atômica e molecular, tem o potencial de revolucionar uma ampla gama de campos, incluindo medicina, energia e eletrônica. No entanto, os avanços na nanotecnologia também levantam preocupações sobre os possíveis riscos à saúde humana e ao meio ambiente associados à manipulação e uso de nanomateriais, incluindo compostos de grafeno.

A Sociedade Real e a Academia Real de Engenharia definem a nanociência como o estudo e a manipulação de materiais em escala atômica, molecular e macromolecular, cujas propriedades diferem significativamente daquelas encontradas em suas formas em maior escala. Essas instituições também definem a nanotecnologia como o projeto, caracterização, produção e aplicação de estruturas, dispositivos e sistemas com controle preciso de forma e tamanho em escala nanométrica. De acordo com a Iniciativa Nacional de Nanotecnologia

(NNI), um órgão governamental dos Estados

Unidos responsável pela pesquisa e desenvolvimento no campo da nanotecnologia, ela pode ser caracterizada como a ciência, engenharia e tecnologia conduzidas em escala nano, com dimensões entre 1 e 100 nanômetros. O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional define a nanotecnologia como a manipulação de objetos em escala atômica para a criação de materiais, dispositivos ou sistemas com novas propriedades e/ou funções. A nanotecnologia estuda materiais em escala nanométrica, ou seja, objetos que possuem de uma a três dimensões externas em escala de 10-9 metros, de acordo com a norma ISO/TC 27687. Além disso, esses

objetos podem apresentar diferentes configurações alotrópicas, ou seja, a mesma substância química com diferentes estruturas, como demonstrado no Quadro 1.

O crescente interesse no grafeno e suas aplicações têm impulsionado a produção em larga escala deste nanomaterial, o que por sua vez tem suscitado preocupações quanto aos possíveis impactos na saúde humana e no meio ambiente. Nesse contexto, é fundamental compreender os riscos e as implicações associadas ao uso de compostos de grafeno para garantir a segurança e a sustentabilidade de sua produção e aplicação.

2. Grafeno e seus derivados

O grafeno e seus derivados, segundo a literatura científica, incluem principalmente o grafeno de camada única, grafeno de poucas camadas (Few layers of graphene - FLG), óxido de grafeno (graphene oxide - GO), óxido de grafeno reduzido (Reduced graphene oxide - rGO) e pontos quânticos de grafeno (Graphene quantum dots - GQD). A Figura 1 apresenta uma ilustração esquemática desses nanomateriais.

Os compostos da família do grafeno apresentam uma variedade de formas e propriedades únicas que os tornam valiosos para diversas aplicações.

O grafeno de camada única é uma forma de carbono puro, composta por átomos de carbono dispostos em um padrão regular hexagonal bidimensional. É extremamente fino, forte e excelente condutor de calor e eletricidade.

O grafeno de poucas camadas (FLG) é uma pilha de 2 a 10 camadas de grafeno. Originalmente, era um subproduto da fabricação de grafeno de camada única. Este material mantém muitas das propriedades únicas do grafeno, mas com a adição de características tridimensionais.

O óxido de grafeno (GO) é um derivado do grafeno que foi quimicamente modificado para conter grupos de ácido carboxílico. Esses grupos proporcionam ao GO estabilidade coloidal negativa e superfícies carregadas, tornando-o solúvel em água e útil para uma variedade de aplicações, incluindo a adsorção de medicamentos e a imagem molecular.

por Marcelo Alexandre Tirelli

Quadro 1 – Principais termos relacionados aos nano-objetos Fonte: Adaptado de ISO/TS 27687 (2008)

Nanoparticle Nano-objeto que possui todas as dimensões em nanoescala

Nanofiber Nano-objeto que tem duas dimensões externas em nanoescala e uma terceira significativamente maior

Nanoplate Nano-objeto com uma dimensão em nanoescala e outras duas significativamente maiores

Nanotube Nanofibra oca

Nanorode Nanofibra sólida

Nanowire Nanofibra com propriedades condutoras ou semicondutoras

Quantum dot Nanocristal semicondutor cujos elétrons são confinados em todas as três dimensões espaciais

Nano-onion Nanopartícula esférica com múltiplas camadas concêntricas

Nanocone Nano-objeto em forma de cone com duas camadas em nanoescala

Nanoribbon Nanofibra cuja menor dimensão é muito menor do que as outras

O óxido de grafeno reduzido (rGO) é produzido a partir do GO sob condições redutoras, como calor e tratamento químico com hidrazina. Este processo restaura a condutividade elétrica do material e é caracterizado por um conteúdo reduzido de oxigênio e aumento da hidrofobicidade.

Os pontos quânticos de grafeno (GQD) são um novo nanomaterial de grafeno zero-dimensional com várias vantagens sobre os fotosensibilizadores orgânicos convencionais. Eles possuem melhor biocompatibilidade, alta solubilidade em água e estabilidade à luz, excelentes propriedades ópticas e a capacidade de serem funcionalizados na superfície. Por essas razões, os GQDs têm o potencial de substituir os pontos quânticos derivados de sulfetos metálicos comumente usados.c

Os compostos da família do grafeno apresentam uma variedade de formas e propriedades únicas que os tornam valiosos para diversas aplicações.

O grafeno de camada única é uma forma de carbono puro, composta por átomos de carbono dispostos em um padrão regular hexagonal bidimensional. É extremamente fino, forte e excelente condutor de calor e eletricidade.

O grafeno de poucas camadas (FLG) é uma pilha de 2 a 10 camadas de grafeno. Originalmente, era um subproduto da fabricação de grafeno de camada única. Este material mantém muitas das propriedades únicas do grafeno, mas com a adição de características tridimensionais.

O óxido de grafeno (GO) é um derivado do grafeno que

foi quimicamente modificado para conter grupos de ácido carboxílico. Esses grupos proporcionam ao GO estabilidade coloidal negativa e superfícies carregadas, tornando-o solúvel em água e útil para uma variedade de aplicações, incluindo a adsorção de medicamentos e a imagem molecular.

O óxido de grafeno reduzido (rGO) é produzido a partir do GO sob condições redutoras, como calor e tratamento químico com hidrazina. Este processo restaura a condutividade elétrica do material e é caracterizado por um conteúdo reduzido de oxigênio e aumento da hidrofobicidade.

Os pontos quânticos de grafeno (GQD) são um novo nanomaterial de grafeno zero-dimensional com várias vantagens sobre os fotosensibilizadores orgânicos convencionais. Eles possuem melhor biocompatibilidade, alta solubilidade em água e estabilidade à luz, excelentes propriedades ópticas e a capacidade de serem funcionalizados na superfície. Por essas razões, os GQDs têm o potencial de substituir os pontos quânticos derivados de sulfetos metálicos comumente usados.

Existem diferentes formas de categorizar as partículas de nanotubos de carbono, levando em consideração a funcionalização, o grau de pureza, a capacidade de aglomeração e a origem desses nanotubos. Em relação à origem, os nanotubos de carbono podem ser classificados como naturais (originados de processos como combustão de diesel, incêndios florestais e atividades vulcânicas) ou artificialmente projetados e produzidos pelo homem. Além disso, os nanotubos de carbono

podem estar funcionalizados ou não. A funcionalização envolve a inserção de moléculas na superfície dos nanotubos, por meio de ligações covalentes ou não covalentes, com o objetivo de modificar suas propriedades originais por meio da interação com átomos, moléculas ou grupos funcionais.

Os nanotubos de carbono (CNT), juntamente com o grafeno, são considerados as nanopartículas mais estudadas na atualidade. Eles são encontrados em uma ampla variedade de produtos eletrônicos, têxteis, cosméticos, farmacêuticos, agricultura, saneamento e em muitas outras aplicações. Estudos demonstram que os CNT, devido às suas propriedades únicas, podem induzir estresse oxidativo, depositar colágeno, desencadear resposta inflamatória persistente, granulomas e fibrose.

O grau de pureza dos nanotubos de carbono é medido pela concentração de resíduos metálicos ou materiais de suporte catalítico incorporados à sua estrutura. Nesse sentido, os nanotubos podem ser classificados como puros (baixo teor de resíduos), impuros (alto teor de resíduos) e purificados (submetidos a algum processo de remoção de resíduos). Os principais metais contaminantes são Cobalto (Co), Ferro (Fe), Níquel (Ni) e Molibdênio (Mo), todos associados a efeitos tóxicos conhecidos.

Considerando a capacidade de aglomeração dos nanotubos de carbono, eles podem ser divididos em estruturas com tendência à aglomeração ou à dispersão. Essa diferença é importante do ponto de vista médico, pois os aglomerados de

nanotubos de carbono tendem a se depositar em bronquíolos terminais e alvéolos proximais, induzindo à formação de granulomas. Por outro lado, os nanotubos de carbono mais dispersíveis tendem a se depositar em alvéolos distais, causando fibrose intersticial.

A indústria da nanotecnologia tem experimentado um crescimento significativo nas últimas duas décadas. As nanopartículas sintéticas já estão presentes em diversos produtos de uso cotidiano, como protetores solares, tecidos, artigos esportivos, cosméticos, automóveis e medicamentos. O uso militar da nanotecnologia é uma realidade desde 2001 e é considerado uma vantagem significativa em termos de capacidade de defesa e detecção precoce de ameaças químicas e biológicas, bem como aumento da capacidade de vigilância. Além dos exemplos citados, outros equipamentos militares, como vestuário, artilharia e comunicação, também se beneficiam dessa tecnologia.

A multifuncionalidade dos nanotubos de carbono não se limita apenas às suas propriedades mecânicas, mas também se estende às características ópticas e eletromagnéticas. Suas propriedades de condução elétrica os tornam adequados para serem utilizados em embalagens antiestáticas. Ao explorar características como porosidade e aspereza dos nanotubos de carbono e utilizá-los como “ingredientes” em compósitos de nanoescala, é possível obter tecidos com qualidades como impermeabilidade, respirabilidade, resistência a manchas, pro-

Figura 1. Ilustração esquemática de diferentes nanomateriais à base de grafeno. Fonte: Adaptado de XIAOLI et al (2020)

teção térmica, entre outras. A curto prazo, já se considera o uso de nanotubos de carbono em telas de baixa voltagem para televisores, monitores de computador e dispositivos portáteis, com potencial aumento na durabilidade desses equipamentos. Também há uma crescente demanda por equipamentos eletrônicos portáteis com baterias mais leves e duráveis. Compósitos de nanotubos de carbono associados a níquel ou cádmio podem atender a essa demanda, produzindo telefones celulares ou notebooks menores, mais leves e resistentes.

Com o aumento do uso e desenvolvimento de nanotubos de carbono, é evidente o crescente contingente de trabalhadores envolvidos direta e indiretamente com essas nanopartículas. Diante disso, é necessário identificar os riscos ocupacionais associados à exposição a essas substâncias e como eles podem ser mitigados.

Portanto, com o aumento da produção de materiais contendo CNT, é essencial determinar os riscos ocupacionais envolvidos, devido ao significativo número de trabalhadores expostos. Esta pesquisa tem como objetivo investigar os riscos de toxicidade pulmonar associados à exposição aos nanotubos de carbono (CNT), incluindo o grafeno.

Este artigo tem como objetivo investigar os riscos potenciais à saúde humana e ao meio ambiente relacionados aos compostos de grafeno e discutir as estratégias de mitigação aplicáveis. Além disso, abordaremos a regulamentação e a legislação pertinentes, com foco especial na legislação brasileira. Este artigo também pretende ser visualmente informativo, apresentando figuras e tabelas que ilustrem e resumam

informações relevantes sobre o grafeno, seus riscos e estratégias de mitigação.

Adotaremos uma abordagem integrada e preventiva, ressaltando a importância da colaboração entre cientistas, indústria, órgãos reguladores e formuladores de políticas para garantir o desenvolvimento seguro e sustentável da nanotecnologia e dos compostos de grafeno. Apresentaremos exemplos de como a pesquisa e a colaboração entre diferentes atores podem contribuir para a criação de soluções mais seguras e sustentáveis, que maximizem os benefícios do grafeno e da nanotecnologia, sem comprometer a saúde humana e a qualidade do meio ambiente.

Ao abordar a segurança em compostos de grafeno, buscamos promover uma discussão equilibrada e fundamentada sobre os riscos e estratégias de mitigação, sem perder de vista o enorme potencial que este material oferece para a inovação e o desenvolvimento tecnológico. Destacamos a importância da regulamentação e legislação na promoção de práticas seguras e responsáveis no desenvolvimento e aplicação de compostos de grafeno.

Esperamos que este artigo forneça informações valiosas para pesquisadores, indústrias e formuladores de políticas envolvidos no desenvolvimento e aplicação desse material revolucionário. Dessa forma, esperamos contribuir para a criação de um ambiente propício ao desenvolvimento seguro e sustentável da nanotecnologia e dos compostos de grafeno, promovendo a inovação e maximizando os benefícios para a sociedade e o meio ambiente.

Figura 2. Nanotubos de carbono: Nanotubos de parede simples e nanotubos de parede múltipla. Fonte: DONALDSON, et al (2006)

3. Nanotoxicologia

Devido às propriedades distintas que os materiais apresentam em escala nanométrica em comparação com sua forma em escala maior, surgiu uma subespecialidade da toxicologia conhecida como nanotoxicologia. Essa área estuda os efeitos tóxicos das nanopartículas (partículas com tamanho inferior a 100 nm), que parecem ter efeitos tóxicos diferentes e incomuns em relação às partículas maiores da mesma substância. As nanopartículas têm tamanho semelhante aos componentes celulares e proteínas, o que as torna suspeitas de contornar as defesas naturais do organismo e causar danos celulares permanentes. Embora as células dos tecidos humanos possam absorver muitas nanopartículas, o que tem sido aproveitado para o desenvolvimento de medicamentos em escala nanométrica, essa habilidade também pode facilitar a entrada de materiais tóxicos nas células.

A toxicidade dos nanomateriais, sejam eles naturais ou fabricados pelo homem, depende do tipo de material, tamanho, forma, ligação, revestimento, solubilidade e atividade biológica associada a estímulos externos. Diversos estudos demonstraram que as nanopartículas, também conhecidas como partículas ultrafinas (com tamanho inferior a 100 nm), apresentam maior toxicidade do que as partículas finas (com tamanho inferior a 2,5 µm) do mesmo material e na mesma quantidade. Exemplos de nanopartículas que têm sido objeto de estudos são dióxido de titânio, trióxido de alumínio, carbono, cobalto e níquel.

Uma hipótese importante para a toxicidade específica das nanopartículas é o aumento da reatividade superficial devido à sua grande relação superfície-volume e, às vezes, à modificação da superfície. Essa reatividade pode levar à geração de espécies reativas de oxigênio, causando estresse oxidativo e inflamação nos tecidos biológicos.

Com o aumento da fabricação de nanopartículas, também surge uma preocupação crescente em relação ao potencial cancerígeno desses materiais. Alguns estudos procuram identificar os possíveis mecanismos que podem levar ao desenvolvimento do câncer, a fim de prevenir essa condição desde a fase de projeto dos nanoprodutos. Esses estudos fazem parte da área de nanogenotoxicologia, que investiga os efeitos das nanopartículas fabricadas no DNA. A compreensão aprofundada desses mecanismos, que ainda não é totalmente compreendida, pode ser encontrada em várias referências científicas.

3. Riscos à saúde humana e ao meio ambiente

3.1

Toxicidade dos compostos de grafeno

Os compostos de grafeno, devido à sua natureza nanoestruturada, apresentam uma série de riscos potenciais à saúde humana. Um dos principais riscos é a toxicidade pulmonar, que é especialmente relevante devido à exposição respiratória. A exposição aos nanotubos de carbono, que são uma forma de grafeno, pode ocorrer através de várias vias, incluindo a cutânea, gastrointestinal e respiratória, sendo esta última a de maior risco.

A deposição dessas nanopartículas no trato respiratório é proporcional ao tamanho das partículas, seguindo os movimentos Brownianos, onde partículas menores tendem a ser mais reativas do que as maiores. Outros fatores que podem contribuir para os danos causados por essas nanopartículas incluem a forma, superfície de contato, biopersistência, método de síntese utilizado, presença de resíduos (como metais de transição ou materiais de suporte), capacidade de ligação a grupos funcionais, grau de agregação e a capacidade de gerar Espécies Reativas de Oxigênio (ROS).

Após a deposição dos nanotubos de carbono no tecido pulmonar, uma série de eventos é desencadeada, começando pela ativação dos macrófagos alveolares, que são a primeira linha de defesa local. A partir dessa captação, vários fatores de transcrição são ativados, levando a estresse oxidativo, liberação de citocinas pró-inflamatórias, recrutamento de leucócitos e ativação de linfócitos T.

A interação dos nanotubos de carbono, após sua internalização, já desencadeia dois mecanismos simultâneos diversos: a formação de colágeno e a ativação e recrutamento de fagócitos. Os nanotubos são fagocitados e podem ser eliminados por meio de reações que envolvem a liberação de citocinas anti-inflamatórias, com resolução do processo inflamatório ao fim do ciclo. No entanto, se a exposição aos nanotubos for contínua, após a fagocitose, essas nanopartículas não serão eliminadas e causarão danos ao epitélio respiratório, com proliferação deste.

Estudos atuais (in vitro e in vivo) demonstram que os nanomateriais podem induzir a reações de estresse oxidativo e depósito de colágeno, inflamação pulmonar e peribrônquica, resposta inflamatória persistente, formação de granulomas, fibrose intersticial progressiva. Recentemente, foram descritos para os nanotubos de carbono de parede múltipla mecanismos patogenéticos de lesão similares aos atribuídos ao asbesto. Esses materiais tendem a apresentar propriedades toxicológicas incomuns, como a capacidade de estimular o crescimento de células mesenquimais, formação de granuloma e fibrogênese. Estudos demonstraram maior índice de efeitos adversos com nanotubos de carbono do que com o quartzo, considerando a mesma massa. Ainda não se sabe ao certo a carcinogenicidade dessas nanopartículas; porém, alguns estudos citam a ocorrência de mesotelioma a partir de uma resposta inflamatória persistente desencadeada por nanotubos de carbono de paredes múltiplas. A insuficiência de dados para delimitar o nível de exposição recomendado em humanos torna imprescindível a implementação de medidas adequadas de proteção ao ambiente de trabalho e aos trabalhadores, até que haja conhecimento técnico e domínio da toxicidade dessas nanopartículas.

3.2 Exposição ocupacional

A exposição às nanopartículas pode ocorrer em equipamentos enclausurados ou reatores operados sob pressão positiva. Portanto, todas as atividades relacionadas à manipulação direta

dessas nanopartículas podem apresentar risco ocupacional aumentado se as devidas precauções não forem tomadas. As atividades de maior risco incluem operação, manutenção e limpeza de reatores e máquinas, bem como mistura, secagem, embalagem, transferência manual e tratamento térmico dessas nanopartículas. Todas essas tarefas expõem os trabalhadores a alto risco ocupacional se o ambiente de trabalho não estiver projetado de forma segura e adequada, ou se a manutenção periódica dos equipamentos utilizados não for realizada.

As atividades relacionadas à exposição ocupacional devem ser listadas e priorizadas de acordo com o risco, considerando fatores como a tendência das nanopartículas de permanecerem dispersas no ar, os processos utilizados, a quantidade de material manipulado, a duração e a frequência da exposição. Para cada tipo de exposição, medidas de segurança adequadas ao nível de exposição serão implementadas, a fim de minimizar os respectivos riscos, como apresentado no Quadro 2.

3.3 Impactos ambientais

Os impactos ambientais dos compostos de grafeno são outro tópico de preocupação. Embora o grafeno seja frequentemente promovido como um material “verde” devido à sua eficiência e versatilidade, a produção e o descarte de compostos de grafeno podem ter efeitos ambientais significati-

vos. Por exemplo, a produção de nanotubos de carbono pode resultar na liberação de nanopartículas no ambiente, que podem ser tóxicas para a vida aquática e terrestre.

3.4 Exposição ocupacional e riscos à saúde dos trabalhadores

A exposição ocupacional a compostos de grafeno é uma preocupação crescente, especialmente para aqueles que trabalham na produção e manipulação desses materiais. A inalação de nanopartículas de grafeno pode levar a uma variedade de problemas de saúde, incluindo inflamação pulmonar, fibrose e formação de granulomas. Além disso, a exposição a longo prazo pode aumentar o risco de desenvolver doenças crônicas, como doenças pulmonares e cardiovasculares.

3.5 Bioacumulação e biomagnificação

A bioacumulação e a biomagnificação de compostos de grafeno no ambiente são outras áreas de preocupação. Estes processos referem-se ao acúmulo de substâncias químicas em organismos ao longo do tempo e ao longo da cadeia alimentar, respectivamente. Embora ainda haja muito a ser aprendido sobre a bioacumulação e a biomagnificação de compostos de grafeno, estudos sugerem que esses materiais têm o potencial de se acumular em organismos e de serem magnificados ao longo da cadeia alimentar, o que pode ter implicações significativas para a saúde humana e a biodiversidade.

Pulverização mecânica, produção de ligas metálicas, litografia, abrasão mecânica, jateamento, moagem, aquecimento e resfriamento

Aerosolização de nanopartículas durante sonicação ou pulverização, limpeza e manutenção, extravasamento ou recuperação de produtos (pós secos)

Qualquer atividade que exija manipulação de pós secos ou recuperação de produtos

Matriz polimérica (nanoestruturas fixas ou coligadas)

Moagem, trituração e jateamento. Aquecimento/resfriamento podem danificar a matriz, permitindo a liberação de nanomateriais

Líquidos de suspensão ou dispersão

Métodos de síntese (precipitação e deposição química, eletrodeposição, cristalização, ablação a laser, derramamento e mistura de líquidos contendo nanomateriais, sonicação, pulverização, secagem

Nanomateriais em forma de pós (dispersiveis e aglomerados)

Vazamento direto (reator), recuperação de produtos, processamento e embalagem de pós secos, limpeza e manutenção de equipamentos Nanoaerossóis e síntese (fase gasosa)

Coleta de material (após sua síntese), transferência, pesagem e mistura de pós secos

Condensação e deposição de vapor, técnicas de solidificação rápidas (aerossóis), aglomeração (fase gasosa), condensação de gás inerte (pirólise ou evaporação) ou pulverização

Quadro 2. Fontes de exposição em relação à forma de apresentação e tipo de atividade laboral. Fonte: Adaptado de NIOSH (2012)

3.6 A importância da caracterização dos compostos de grafeno

A caracterização adequada dos compostos de grafeno é crucial para entender sua toxicidade e impactos ambientais. Isso inclui a determinação de suas propriedades físico-químicas, como tamanho, forma, estrutura, pureza e funcionalização. Essas características podem influenciar a forma como os compostos de grafeno interagem com as células e tecidos biológicos, bem como seu comportamento no ambiente. Além disso, a caracterização dos compostos de grafeno pode ajudar a desenvolver estratégias para minimizar sua toxicidade e impactos ambientais

4. Desafios na Regulamentação da Nanotecnologia no Brasil

A regulamentação da nanotecnologia é um tópico complexo e em constante evolução. Diferentes países têm abordagens distintas para a regulamentação, e muitos ainda estão no processo de desenvolver estruturas regulatórias abrangentes.

No Brasil, as discussões sobre a regulamentação das nanotecnologias é assunto recente na maioria dos países que desenvolvem produtos e aplicações com nanopartículas. A intenção é trazer à discussão como o Brasil está buscando regular a nanotecnologia, razão pela qual não será dado ênfase às iniciativas de regulamentação em outros países. Entende-se que é necessária uma coordenação internacional para discutir os riscos das nanotecnologias e sua regulamentação.

No Brasil, a legislação específica para compostos de grafeno ainda é limitada. No entanto, algumas leis e diretrizes gerais se aplicam, como a Política Nacional do Meio Ambiente (Lei nº 6.938/1981), a Política Nacional de Resíduos Sólidos (Lei nº 12.305/2010) e a Norma Regulamentadora nº 15 (NR15), que aborda atividades e operações insalubres.

Órgãos reguladores, como a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), o Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA), o Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI) e o Ministério do Trabalho e Previdência (MTP) são responsáveis pela regulamentação e fiscalização de produtos e processos que envolvem compostos de grafeno.

A título de exemplo, pode-se dizer que o empenho até o presente momento para a regulação das nanotecnologias está mais centrado em organismos não governamentais e organismos internacionais, como a Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE), a União Europeia e as normas ISO. Na União Europeia, as discussões estão registradas no regulamento da REACH (Registro, Avaliação, Autorização e Restrição de Produtos Químicos), nos documentos da European Agency for Safety and Health at Work; OSHA; Occupational Nanotechnologies Industries Association (NIA), FDA. Nos países asiáticos conta-se com a ANF-Asia Nano Forum, com o Comitê de Medidas de Segurança para nanomateriais do Japão e com a Chinese Academy of Sciences, SAICM

e International Council on Nanotechnology – ICON. Nos Estados Unidos observa-se o Ato de Controle de Substâncias Tóxicas (TSCA) e as ações do National Institute for Health (NIH) FDA (Food and Drug Administration). Contudo, até o presente momento não se verifica uma legislação global específica ou unificada para os nanomateriais, logo, os nanoprodutos são registrados nos mais variados países através das agências reguladoras específicas daquele país, sendo cada situação avaliada individualmente.

No Brasil, o desenvolvimento da nanotecnologia é uma política pública prioritária cujo objetivo principal é angariar fundos de investimento para desenvolvimento da pesquisa e da indústria técnica nessa área, tanto para o setor público quanto para o setor privado. Assim como em outros países da América Latina, há duas características semelhantes identificadas nesse processo, que são a estruturação de centros de excelência incorporado à indústria e a omissão desses países quanto às questões relacionadas com a proteção do trabalhador e do consumidor frente aos possíveis riscos dessa tecnologia.

5. Gestão das exposições

A gestão dos riscos envolvidos com nanomateriais, como o grafeno e os nanotubos de carbono, deve ser realizada de forma integrada e abrangente, por meio de um programa estruturado de ações. O uso da Análise Preliminar de Riscos (APR) deve ser frequente e precoce, permitindo antecipar e gerenciar os riscos desde a fase de projeto desses materiais em escala nanométrica. Além disso, as APRs podem gerar recomendações de controle e mitigação durante o planejamento.

Os controles de engenharia desempenham um papel crucial na proteção dos trabalhadores em relação ao grafeno e aos nanotubos de carbono. Eles visam remover as condições perigosas de exposição ou criar barreiras entre esses nanomateriais e as pessoas. Combinados com práticas adequadas de manuseio, esses controles formam uma estratégia eficiente de controle de riscos.

A identificação e o uso de tecnologias de controle que já se mostraram eficazes em outras aplicações de nanomateriais são passos iniciais importantes para reduzir a exposição. No caso do grafeno e dos nanotubos de carbono, é essencial utilizar essas tecnologias comprovadas em conjunto com um sistema de verificação de eficácia, como auditorias da exposição. Essas medidas são fundamentais para garantir a segurança durante a manipulação desses nanomateriais.

A avaliação da eficácia dos controles é essencial para demonstrar o cumprimento das metas de controle estabelecidas pelas empresas. Nesse sentido, é possível recorrer a tecnologias consagradas, como a visualização e a avaliação dos fluxos de ar, assim como a aplicação de métodos quantitativos para verificar a eficácia da contenção, incluindo o uso de gases traçadores. Além disso, é possível explorar outras abordagens, como o monitoramento da exposição por vídeo, a fim de aperfeiçoar a redução da exposição durante as atividades de manipulação desses nanomateriais e

implementar as intervenções de controle necessárias.

6. Estratégias de mitigação

A gestão dos riscos associados à manipulação e exposição aos compostos de grafeno deve ser realizada de forma integrada, com a implementação de controles de engenharia e práticas adequadas de manuseio. A avaliação da eficácia desses controles é essencial para garantir a segurança dos trabalhadores.

Os controles de engenharia incluem a implementação de sistemas de ventilação adequados, o uso de equipamentos de proteção individual (EPIs), como máscaras e luvas, e a implementação de procedimentos de trabalho seguros. Além disso, a educação e a formação dos trabalhadores sobre os riscos associados aos compostos de grafeno e as medidas de proteção adequadas são fundamentais.

As práticas adequadas de manuseio incluem a minimização da exposição aos compostos de grafeno, a limpeza regular do local de trabalho para remover qualquer resíduo de grafeno, e a disposição segura dos resíduos de grafeno.

Além disso, a pesquisa contínua sobre a toxicidade e os impactos ambientais dos compostos de grafeno é essencial para informar a regulamentação e a gestão de riscos. Isso inclui a realização de estudos toxicológicos e ecotoxicológicos, a avaliação da exposição ocupacional e ambiental aos compostos de grafeno, e a investigação de estratégias de mitigação eficazes.

7. Considerações finais

Este artigo explorou os perigos associados à manipulação e exposição a compostos de grafeno, com ênfase particular na toxicidade pulmonar e nos impactos ambientais. A exposição ocupacional a esses compostos, especialmente em contextos industriais e laboratoriais, foi destacada como uma questão de grande preocupação, necessitando de medidas de controle estritas para salvaguardar a saúde dos trabalhadores.

Pesquisas atuais sugerem que nanomateriais, como nanotubos de carbono, podem provocar respostas de estresse oxidativo, inflamação pulmonar e fibrose intersticial progressiva. Além disso, a bioacumulação e a biomagnificação de compostos de grafeno no ambiente são áreas emergentes de preocupação, com possíveis implicações para a saúde humana e a biodiversidade.

A regulamentação da nanotecnologia, incluindo compostos de grafeno, é um assunto complexo e em constante mudança. No Brasil, embora a legislação específica para compostos de grafeno seja ainda limitada, existem leis e diretrizes gerais aplicáveis, e vários órgãos reguladores são responsáveis pela regulamentação e supervisão de produtos e processos que envolvem compostos de grafeno.

A gestão dos riscos associados à manipulação e exposição a compostos de grafeno deve ser abordada de forma integrada, com a implementação de controles de engenharia e práticas de manuseio adequadas. A avaliação da eficácia desses controles é crucial para garantir a segurança dos trabalhadores.

Em conclusão, embora o grafeno e seus compostos apresentem

muitas oportunidades promissoras em várias áreas, é de suma importância que a saúde humana e a proteção ambiental sejam priorizadas. A pesquisa contínua, a regulamentação efetiva e a implementação de medidas de controle rigorosas são fundamentais para garantir que a exploração desses materiais seja realizada de maneira segura e responsável.

Referências

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Xiaoli, F., et al. Toxicology data of graphene-family nanomaterials: an update. Archives of Toxicology, 94, 2020, 19151939.

The Royal Society and the Royal Academy of Engineering. Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties. 2004

Marcelo Alexandre Tirelli, Pós-Doutor, Doutor e Mestre em Engenharia de Materiais, e Engenheiro de Segurança do Trabalho e Engenheiro Químico. Sua especialidade reside na interseção de Engenharia Química, nanomateriais, segurança e higiene ocupacional.

A FALTA DE GERENCIAMENTO DE MUDANÇAS: A ETERNA DOR DE CABEÇA DOS CLIENTES

por Luiz Tubino

Não é raro nos dias de hoje problemas de qualidade devido a mudanças não autorizadas de produto e ou processo, gerando os mais variados impactos até mesmo recall.

Atuo no segmento automotivo, logo vou escrever com base no que vivencio

A questão é disciplina e gestão de mudança, avaliação do impacto, ninguém muda nada sozinho, abaixo a ditadura da mudança. Toda a mudança deve ser devidamente avaliada quanto ao risco e viabilidade. Atuei como perito assistente em um caso de recall onde a causa da falha foi “apenas” a inversão de uma sequência de operações sem a validação da mesma e sem comunicação ao cliente, tal alteração comprometeu a estrutura metalúrgica da peça. Querem saber o final? Ganhamos a causa por se tratar de mudança não autorizada, olha que isso já faz um bom tempo.

Hoje normas tais como IATF 16949 e ISO 9001 já trazem em seus requisitos explicitamente a preocupação com o gerenciamento de mudanças.

Nos dias de hoje uma das causas de peças com defeitos em montadoras continua sendo a famosa mudança não autorizada. Clientes são surpreendidos, consequências muitas vezes são graves e de alto custo.

Encaremos uma mudança de lay out de um processo de manufatura como exemplo, na maioria das vezes precisamos parar a produção, antes disso é necessário manufaturar um “pulmão” de peças para cobrir a parada de produção. Onde vamos estocar essas peças? Temos embalagens suficientes para isso? Necessário trabalhar em regime de horas extras? Por quanto tempo? Como preservar essas peças? Se for no domingo? O refeitório vai estar aberto? Alguma vezes me vi com muitas pizzas na mão para cobrir almoço de operadores porque ninguém previu que operadores sentem fome aos domingos. Várias questões que sem gerenciamento de mudanças não seriam respondidas.

E o PAPP, considerando o exemplo de mudança de lay out não deveria cobrir isso tudo? Não, ele não cobre isso tudo a função dele é homologar processo e produto. A organização e gestão de como a alteração será feita não passa pelo PAPP.

E o cliente, já aprovou a mudança de lay out? Estamos alterando uma condição de processo previamente aprovadas por ele. Atuo no

segmento automotivo onde uma vez que produto e processo estão aprovados pelo cliente os mesmos são “congelados“. Não se muda nada sem autorização do cliente e nova homologação.

Até aqui tudo entendido, mas como realizar a gestão de mudanças? Vamos lá então, tudo começa a partir de um pedido de mudança.

1. Deve haver uma descrição da mudança proposta seus benefícios e vantagens de efetivar a mudança. Todo o pedido de mudança tem um número /identificação única.

2. Avaliação da mudança:

Todas as partes envolvidas na mudança devem participar de um estudo de viabilidade da mudança proposta onde apontam suas necessidades e preocupações bem como o custo envolvido de cada área para efetivar a mudança, impacto nos prazos de efetivação e avaliação dos riscos envolvidos. A gestão geralmente é realizada pela engenharia.

Uma vez que todas as partes interessadas dentro da organização apontaram prós e contras bem como custos e prazos e dado o veredito final, via de regra do diretor de engenharia / diretor industrial (alta direção) responsáveis por isso.

3. Caso a mudança proposta não seja aprovada, as razões pela reprovação devem ser registradas e mantidas pela empresa, caso a proposta de mudança seja aprovada é apontado um líder para gerenciar a mudança e o planejamento em forma de cronograma é realizado. Pronto para mudar? Ainda não, precisamos da aprovação do cliente para iniciar o processo de mudança e a primeira pergunta que o cliente faz é “quanto levo nisso“? Mudanças devem trazer aumento de qualidade e/ou produtividade, esteja preparado para dividir isso com seu cliente.

4. Implementação da mudança

Uma vez aprovada pelo cliente a mudança é efetivamente implantada. Aqui dois eventos são fundamentais, o primeiro é a aprovação da mudança implantada pelo mesmo time que fez o estudo de viabilidade da mudança e a elaboração de um lote experimental, onde no meio em que trabalho, chamamos de PTR (production trail run) que

aprova a mudança, não o produto. Uma vez aprovada a mudança através do PTR aí então é manufaturado um lote piloto e a mesma é homologada pelo cliente através do seu processo de aprovação PPAP, VDA2, etc.

5. Mudanças não planejadas (processo sob desvio)

Em qualquer momento em que um produto e/ou processo é alterado em relação ao plano de controle documentado e aprovado as organizações deveriam estabelecer um procedimento de controle de processo sob desvio que defina requisitos mínimos para verificação do processo original ao sair do desvio.

Se as coisas não aconteceram como deveriam compartilha a preocupação com teu cliente pois ele também deve aprovar a condição sob desvio, tanto para processo como produto. Pergunta que ouvi duzentas vezes: se o processo é alterado mas o produto permanece dentro de desenho, mesmo assim preciso notificar o cliente e solicitar a aprovação dele? Óbvio que sim, pois a produção ocorreu fora de uma condição previamente aprovada pelo cliente. Não esqueça que ele precisa de teu produto, precisa abastecer as linhas dele, divida tua preocupação, acredite na relação de parceria ou em 2023 tu ainda pensas em enganar cliente?

Não esconda essa situação do teu cliente e lembre se que uma das principais não conformidades em cliente tem como origem mudanças não autorizadas. Vou falar o óbvio: qualidade nunca solicita desvio, quem falhou é quem deve solicitar o desvio.

A aprovação do desvio via de regra é realizada por engenharia,

qualidade e produção. Por último o cliente avalia e aprova ou não a condição sob desvio.

Os breakings points de início e fim de desvio devem ser registrados, via de regra o desvio de engenharia é concedido por prazo ou número de peças.

Importante que se faça uma análise de risco da operação sob desvio, realização de FMEA para a condição proposta, plano de controle e instrução de trabalho.

Antes de retornar ao processo original, depois do desvio, os parâmetros de ajuste do processo são verificados e uma quantidade pré-estabelecida de peças são manufaturadas e validadas.

O gerente de produção/operações aprova o retorno a condição original.

Ideias mirabolantes sem validação são um risco para a operação. Muitas vezes a ditadura da mudança impede que um bom planejamento seja realizado e a mudança devidamente implantada.

Mudanças muitas vezes são necessárias, fazem parte do processo de melhoria continua desde que sejam devidamente planejadas, avaliadas por time multidisciplinar afetados pela mudança e aprovada pelo cliente

Lembre se de que a aventura pode ser louca, o aventureiro não. Planejamento é fundamental.

Luiz Tubino, Especialista em qualidade Automotiva IATF e ferramentas da qualidade i core tools e solução de problemas. Consultor de empresas e palestrante na LTC Brasil Ltda, provider GM. Experiencia de 30 anos no segmento automotivo.

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