Com o avanço exponencial das tecnologias de redes móveis e a crescente popularidade de dispositivos eletrônicos e de comunicação sem fio, como celulares e laptops, a comunicação entre as pessoas passou e ainda passa por uma revolução. A internet, por exemplo, tornou-se uma ferramenta indispensável para a comunicação diária, exigindo cada vez mais rapidez na transmissão de dados e conexões mais estáveis.
Essa comunicação é feita por meio de ondas eletromagnéticas na faixa de micro-ondas. Entretanto, essas ondas emitidas por inúmeros dispositivos ao mesmo tempo também geram um tipo de poluição invisível, afetando o funcionamento de outros equipamentos ao seu redor.
A interferência gerada por essas radiações pode comprometer a segurança de transações bancárias online, a comunicação entre aeronaves e torres de comando, entre outros. Além disso, há suspeitas de que essas radiações possam afetar a saúde humana, causando dores de cabeça, insônia e outros males ainda não totalmente compreendidos pela medicina.
No setor militar, esse tema também é de grande importância, pois navios, aviões e tanques são detectados pela radiação emitida por radares cada vez mais modernos. Portanto, proteger alvos militares dos radares é uma preocupação crescente para o setor de defesa de um país.
Em busca de soluções inovadoras para esses desafios, nossa equipe do Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da COPPE e do Instituto de Macromoléculas da UFRJ emprega a nanotecnologia para desenvolver materiais que absorvem ondas eletromagnéticas com diversas aplicações.
Como funcionam
Quando uma onda eletromagnética atinge um material, ela pode ser transmitida (ou seja, atravessá-lo), refletida ou absorvida por ele. Os metais, como ferro, prata e cobre, são frequentemente usados para blindagem e proteção eletromagnética porque interagem com essas ondas, ocasionando a reflexão delas.
Esse é um princípio comumente usado em feiras de ciências, conhecido como “gaiola de Faraday”, no qual as pessoas entram numa gaiola de alumínio eletrizada e não levam choque.
Por terem essa característica, esses metais costumam ser muito usados para blindar circuitos elétricos sensíveis a interferências eletromagnéticas. No entanto, essas ondas refletidas pelos metais também podem afetar o desempenho de outros equipamentos e a saúde humana. Além disso, os metais são pesados, rígidos e suscetíveis à corrosão.
Hoje em dia, as novas tecnologias de fabricação de materiais exigem que eles tenham algumas características importantes, como serem leves, de baixo custo e facilmente moldáveis em formas variadas de acordo com a aplicação, como filmes flexíveis, tecidos e até tintas.
Nesse sentido, os plásticos são altamente versáteis, podendo ser moldados em diferentes formas e combinados com fibras naturais para criar materiais mais rígidos, econômicos e ecológicos, especialmente se combinados com plásticos biodegradáveis. Entretanto, por si só, eles não interagem com ondas eletromagnéticas e, portanto, não conseguem proteger equipamentos.
Portanto, a essência de nossa pesquisa reside na incorporação estratégica de nanopartículas com propriedades elétricas ou magnéticas em materiais poliméricos, como plásticos, borracha e tintas, para conferir-lhes a capacidade de interagir com ondas eletromagnéticas.
Entre as nanopartículas mais estudadas estão os nanotubos de carbono, grafeno, ferritas e polímeros condutores como a polianilina. Essas partículas, dispersas no material plástico, interagem com as ondas eletromagnéticas, evitando que ela atravesse o material e absorvendo uma porcentagem significativa da onda, sem refletir.
Um exemplo promissor observado em nossos laboratórios é a combinação de nanotubos de carbono com silicone, onde a incorporação de cerca de 2% dessa carga condutora proporcionou uma absorção de 99,9% da radiação.
Recentemente, avançamos mais, utilizando a tecnologia de impressão 3D para criar estruturas inovadoras em formato de favo de mel, feitas de um polímero biodegradável (ácido polilático) e intercaladas com uma camada fina de plástico, contendo nanopartículas condutoras.
Esse design nos permitiu construir sistemas porosos com tamanho de célula controlado. Assim, aumentamos a faixa de frequência capaz de ser absorvida em mais de 90%. Esse efeito, conhecido como proteção eletromagnética em banda larga, é importante para radares de curto alcance e redes Wi-Fi. Outra vantagem dessas estruturas porosas é tornar o material mais leve, ampliando sua aplicabilidade.
Também observamos que ao incluir nessa estrutura uma mistura híbrida de nanotubos de carbono e nanoplacas de grafeno, os materiais apresentaram alta condutividade elétrica, mesmo tendo apenas 3% do peso em componentes condutores. Eles absorvem 65-70% na banda X (8,2-12,4 GHz) e 77-81% na banda Ku (12,4-18 GHz), que são faixas de médio e longo alcance, respectivamente, muito usadas em comunicações de longa distância, monitoramento ambiental, navegação e radares.
Outros estudos em nossos laboratórios visam desenvolver tintas que atuem com dupla função de absorver radiação e ação anticorrosiva. Revestimentos à base de resina epoxídica, amplamente usados em plataformas marítimas e navios, têm sido combinados com nanopartículas de grafeno e/ou nanotubos de carbono revestidos com polianilina, um polímero condutor que interage com ondas eletromagnéticas e aumenta a resistência à corrosão.
Nossa pesquisa também abre novas possibilidades para o uso da tecnologia de fabricação de filamentos por impressão 3D na criação de novos materiais flexíveis, leves e de baixo custo. Estamos adicionando partículas apropriadas para servirem de adsorvedores de metais pesados e outros contaminantes aquosos. A impressão 3D favorece a criação de estruturas com porosidade adequada, garantindo a criação de filtros com maior capacidade adsorvedora.
Há 15 anos, nossa equipe desenvolve pesquisas nesta área, resultando em sistemas já disponíveis na forma de publicações. A produção em larga escala é viável, mas a transferência de tecnologia para o setor industrial ainda depende do interesse de empresas. A Faperj tem apoiado nossas pesquisas, com financiamentos de editais de apoio a projetos temáticos; de redes de nanotecnologias e de apoio às fronteiras da ciência e inovação, entre outros.