Na parte 1 desse texto a gente estava usando “One Piece”, uma história de lutinha, mas que também é uma obra bastante complexa, para discutir a ciência exata da Engenharia de Materiais. Falamos dos quatro componentes dos materiais lá, então dá uma conferida se não ainda.
Agora vamos explorar mais a fundo cada uma das categorias de materiais: metais, cerâmicas, polímeros, compósitos e materiais avançados.
Metais
Em One Piece, temos vários exemplos marcantes do uso de metais. Poderosas armas, como espadas, clavas e pistolas, capazes de cortar os céus; robôs, ciborgues e androides utilizados para luta, trabalho e transporte; objetos especiais que só podem ser produzidos por ligas inovadoras desenvolvidas por Wapol; além de castelos, prédios, estradas e pontes que também fazem uso desse material em suas estruturas, assim como em nossa própria infraestrutura urbana.
Os metais são compostos por pelo menos um elemento metálico, como ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro, níquel, entre outros, e suas ligas frequentemente contêm pelo menos um elemento não metálico, como carbono, nitrogênio e oxigênio, em pequenas quantidades. Esses átomos se organizam de forma altamente ordenada.
Um exemplo proeminente de material metálico é o aço, composto de ferro e carbono, além de outros elementos de liga que conferem diferentes propriedades ao produto final, como maior resistência à corrosão nos aços inoxidáveis, por exemplo. Falar sobre aço por si só renderia um longo podcast, mas é possível obter uma compreensão mais aprofundada desse material ao ler os artigos sobre katanas no Portal Deviante.
Em termos mecânicos, esses materiais apresentam rigidez, alta resistência mecânica e ductilidade, o que significa que podem se deformar significativamente sem fraturar. Essas propriedades são fundamentais para diferentes tipos de processamento e aplicações posteriores. Espadas, vigas, cascos e fuselagens são exemplos de estruturas que precisam suportar altas cargas mecânicas.
Além dessas propriedades mecânicas, os metais possuem outras características distintivas. Isso se deve principalmente aos elétrons que não pertencem a um átomo específico, mas estão livres para se mover por toda a estrutura. Portanto, os metais são bons condutores de eletricidade e calor.
Além disso, eles não são transparentes à luz visível, o que lhes confere um brilho lustroso quando polidos, semelhante a um espelho.
Por fim, devido à disposição dos elétrons nos átomos, alguns metais, como ferro e cobalto, exibem propriedades magnéticas desejáveis (é por isso que Kid pode usar apenas materiais metálicos para controlar seus ataques).
Figura 3 — Franky Shogun (esquerda) e estrutura de uma construção (direita), ambos de metal.
Cerâmicas
Em One Piece, podemos encontrar vários exemplos de materiais cerâmicos. Um dos mais proeminentes é o diamante, que compõe o corpo do personagem Jozu. Outro exemplo intrigante são as pedras conhecidas como Poneglyphs, que possuem características semelhantes às cerâmicas, embora seja difícil afirmar categoricamente se são cerâmicas ou não.
Além desses exemplos mais notáveis, também podemos citar materiais cerâmicos presentes em nosso cotidiano, como o vidro do aquário do Sunny, o almofariz utilizado pelo Chopper para moer ervas medicinais e as garrafas de cola do Franky.
As cerâmicas são compostas por elementos metálicos e não metálicos, especialmente óxidos, nitretos e carbetos. Por exemplo, o alumínio, um elemento metálico, pode se ligar ao oxigênio, nitrogênio ou carbono para formar diferentes tipos de cerâmicas, como óxido de alumínio (alumina – Al2O3), nitreto de alumínio (AlN) ou carbeto de alumínio (Al4C3), respectivamente.
É importante ressaltar que vidro e alumina pertencem a grupos diferentes de cerâmicas. A alumina é considerada uma cerâmica de engenharia, enquanto o vidro é classificado como uma cerâmica tradicional. Além do vidro, existem outros exemplos de cerâmicas tradicionais, como argilominerais, porcelana e cimento. Em One Piece, é possível observar inúmeras gigantescas construções que provavelmente foram erguidas com o uso de cimento.
As cerâmicas apresentam características mecânicas como rigidez e resistência comparáveis aos metais. São materiais muito duros, porém frágeis, o que os torna suscetíveis a fraturas. Além disso, possuem propriedades térmicas e elétricas que os tornam isolantes de calor e eletricidade. Devido à sua estabilidade química, são altamente resistentes a temperaturas elevadas e ambientes agressivos, como contatos tribológicos e meios corrosivos.
Figura 4 — Jozu e um diamante, ambos diamante e cerâmica.
Polímeros
Os polímeros são frequentemente chamados de plásticos, embora essa seja apenas uma subcategoria. Os polímeros englobam uma ampla gama de materiais, incluindo plásticos e borrachas. Em One Piece, um exemplo famoso de polímero é a borracha, que confere ao personagem Luffy sua liberdade de movimento e capacidade de assumir diferentes formas. Outro exemplo é a parafina, que compõe o corpo de cera de vela do personagem Mr. 3.
Quimicamente, os polímeros são compostos orgânicos, baseados principalmente em carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos, como oxigênio, nitrogênio e silício. Suas estruturas moleculares são formadas por cadeias com milhares de átomos de carbono. Alguns exemplos de polímeros incluem o polietileno, o policloreto de vinila (PVC) e a borracha de silicone.
As propriedades mecânicas dos polímeros diferem dos metais e cerâmicas. Eles possuem menor rigidez e resistência mecânica, além de uma densidade mais baixa. São extremamente dúcteis e maleáveis, o que permite diferentes tipos de processamento para a obtenção de produtos com formas complexas. Em relação a outras propriedades, os polímeros são relativamente inertes a muitos ambientes, apresentam baixa resistência térmica e condutividade elétrica, e não são magnéticos.
Figura 5 — Luffy e pneu, ambos de borracha, ambos de polímero. Será????
Compósitos
Os compósitos são uma quarta categoria de materiais, compostos por dois ou mais materiais individuais que pertencem originalmente a uma das categorias mencionadas anteriormente. Um exemplo comum de material compósito é a madeira. Em One Piece, a madeira desempenha um papel crucial na construção de navios capazes de navegar em lugares inóspitos.
A madeira é composta por celulose e lignina, que são materiais poliméricos naturais. Separadamente, esses materiais não possuem propriedades adequadas para a estrutura de uma árvore. No entanto, quando combinados, formam um material compósito com sinergia de propriedades, resultando em um material resistente e de baixa densidade.
Em One Piece, a árvore de Eva, por exemplo, pode conter outros materiais em sua estrutura, permitindo a absorção de luz na superfície e sua emissão pelas raízes.
O objetivo do projeto de um compósito é combinar propriedades que não são exibidas por nenhum dos materiais individuais e aproveitar as melhores características de cada componente. Existem muitos tipos de compósitos, que podem ser compostos por diferentes combinações de metais, cerâmicas e polímeros.
Materiais avançados
Além das três categorias principais de materiais, existem grupos de materiais que exigem alto nível tecnológico para serem desenvolvidos e aplicados.
Os semicondutores são materiais com propriedades elétricas intermediárias entre condutores elétricos (metais) e isolantes elétricos (polímeros e cerâmicas). Esses materiais são altamente organizados, e pequenas quantidades de impurezas em posições específicas garantem suas propriedades. Os semicondutores revolucionaram a indústria eletrônica e de computadores. Em One Piece, eles são provavelmente utilizados nos dispositivos em Egg Head.
Os biomateriais são materiais que podem substituir tecidos ou partes do corpo humano. Eles devem ser compatíveis com o corpo humano e livres de toxicidade. Os ciborgues, como o personagem Kuma, utilizam amplamente esses materiais.
Os materiais inteligentes são aqueles que respondem de forma específica a estímulos e ambientes externos. Em One Piece, um exemplo desse tipo de material é o Wapolmetal, uma liga metálica com memória de forma.
Os nanomateriais são metais, polímeros, cerâmicas ou compósitos produzidos em escala nanométrica, ou seja, em dimensões extremamente pequenas. Nessa escala, os materiais apresentam propriedades diferentes das observadas em escalas maiores, proporcionando uma ampla gama de novas propriedades.
Portanto, o que é um material?
Um material, tanto em One Piece, quanto na nossa vida cotidiana, só pode ser compreendido se esses conceitos estiverem claros. Os quatros componentes interconectados (estrutura, propriedades, processamento e desempenho) trazem todas as informações necessárias sobre um material. A ciências de desenvolver materiais está justamente em como interagir e alterar esses componentes de forma direta e/ou indireta.
As classificações de materiais têm como papel simplificar a engenharia, pois permite reunir grupos com determinadas características que podem atender certa demanda. Metais, cerâmicas e polímeros estão por todos os lados e fazem parte da nossa vida de forma muito íntima.
Materiais são complexos, mas sua base é bastante clara e nada misteriosa (diferentemente do tesouro supremo de One Piece). Compreende-las faz compreender o que é um material é e como utiliza-los na grande aventura pirata e tecnológica
Em resumo, essas são algumas das principais categorias de materiais em One Piece, representadas pelos metais, cerâmicas, polímeros, compósitos e materiais avançados. Cada categoria possui propriedades distintas e desempenha um papel fundamental na construção e funcionamento do mundo fictício de One Piece.
Fontes:
Callister Jr, William D., and David G. Rethwisch. Callister’s materials science and engineering. John Wiley & Sons, 2020.
